OC底层知识(十一) : 多线程

简介: OC底层知识(十一) : 多线程

一、简介:多线程在之前进行过一篇详细的基础博客 iOS多线程



二、多线程的基础知识回顾



  • 1.1、iOS中的常见多线程方案


技术方案 简介 语言 线程生命周期 使用频率
pthread 一套通用的多线程API;适用于Unix\Linux\Windows等系统;跨平台\可移植;使用难度大 C语言 程序员管理 几乎不用
NSThread 使用更加面向对象;简单易用,可直接操作线程对象 OC 程序员管理 偶尔使用
GCD 旨在替代NSThread等线程技术;充分利用设备的多核 C 自动管理 经常使用
NSOperation 基于GCD(底层是GCD);比GCD多了一些更简单实用的功能;使用更加面向对象 OC 自动管理 经常使用
  • 1.2、GCD中有2个用来执行任务的函数(queue:队列  block:任务)
  • 用同步的方式执行任务


dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
  • 用异步的方式执行任务


dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);


  • 1.3、GCD的队列可以分为2大类型
  • 并发队列(Concurrent Dispatch Queue)
  • 可以让多个任务并发(同时)执行(自动开启多个线程同时执行任务)
  • 并发功能只有在异步(dispatch_async)函数下才有效
  • 串行队列(Serial Dispatch Queue)
  • 让任务一个接着一个地执行(一个任务执行完毕后,再执行下一个任务)
  • 1.4、有4个术语比较容易混淆:同步异步并发串行
  • 同步(dispatch_sync)和异步(dispatch_async)主要影响:能不能开启新的线程
  • 同步:在当前线程中执行任务,不具备开启新线程的能力
  • 异步:在新的线程中执行任务,具备开启新线程的能力
  • 并发和串行主要影响:任务的执行方式
  • 并发:多个任务并发(同时)执行
  • 串行:一个任务执行完毕后,再执行下一个任务


  • 1.5、各种队列的执行效果


image.png

  • 注意:使用sync函数往当前串行队列中添加任务,会卡住当前的串行队列。如下:


#pragma mark 看下面的代码是否会产生死锁:会
// 队列的特点:排队,FIFO,First In First Out,先进先出
-(void)interview1{
     NSLog(@"---------1-------");
     dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
     dispatch_sync(queue, ^{
           NSLog(@"---------2-------");
     });
     // dispatch_sync: 立马在当前线程执行任务,执行完毕才能继续往下执行
     NSLog(@"---------3-------");
}
  • 总结:只要不存在谁等谁的情况就不会有线程的阻塞
  • 1.6、看下面的打印结果


-(void)interview6{
  dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
  dispatch_async(queue, ^{
     NSLog(@"1");
     // 这句代码的本质是往Runloop中添加定时器
     [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:.0];
     /**
          没有添加定时器(test可以立马执行)
          [self performSelector:@selector(test) withObject:nil];
      */ 
     NSLog(@"3");
  });   
}
-(void)test{
   NSLog(@"2");
}
  • 打印结果是:1、3
    原因:


performSelector:withObject:afterDelay:这句代码的本质是往Runloop中添加定时器
子线程默认没有启动Runloop
可以添加下面的代码来启动RunLoop
[[NSRunLoop currentRunLoop]addPort:[[NSPort alloc]init] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];


  • 1.7、GNUstep 是GNU计划的项目之一,它将Cocoa的OC库重新开源实现了一遍


三、多线程 GCD 队列组:notify(唤醒)



// 创建队列组
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
// 创建并发队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("my_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 添加异步任务
dispatch_group_async(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"任务1-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});
dispatch_group_async(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"任务2-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});


下面使用唤醒代码(和上面的代码是连着的)

  • 3.1、唤醒后在主线程执行任务


// 等前面的任务执行完毕后,会自动执行这个任务
dispatch_group_notify(group, queue, ^{
   // async 异步,dispatch_get_main_queue() 主线程
   dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
             NSLog(@"任务3-%@", [NSThread currentThread]);
        }
   });
});
  • 3.2、唤醒后在主线程执行任务


dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
       NSLog(@"任务3-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});
  • 3.3、唤醒后再执行另外两个子线程任务


dispatch_group_notify(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"任务3-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});
dispatch_group_notify(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      NSLog(@"任务4-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});

四、多线程安全隐患: 常见的是 买票存钱取钱



  • 4.1、多线程安全隐患在什么情况下会出现
  • 资源共享
  • 1块资源可能会被多个线程共享,也就是多个线程可能会访问同一块资源
  • 比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件
  • 当多个线程访问同一块资源时,很容易引发数据错乱和数据安全问题
  • 4.2、安全隐患的展示:(买票)


image.png

/**
   票的数量
 */
@property(nonatomic,assign) int ticketCount;
-(void)ticketTest{
    // 放出 20张票
    self.ticketCount = 20;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    dispatch_async(queue, ^{
    for (int i = 0; i<10; i++) {
          [self buyTicket];
    }
});
  dispatch_async(queue, ^{
     for (int i = 0; i<10; i++) {
          [self buyTicket];
     }
   });
}
// 线程调用买票
-(void)buyTicket{
   int oldTickCount = self.ticketCount;
   sleep(0.2);
   oldTickCount --;
   self.ticketCount = oldTickCount;
   NSLog(@"还有%d张票-%@",oldTickCount,[NSThread currentThread]);
}


调用ticketTest 看下面的打印结果(数据错乱)


image.png

4.3、安全隐患的展示:(存钱与取钱)


image.png



/**
   钱的数量
 */
@property(nonatomic,assign) int moneyCount;
#pragma mark 9.取钱存钱的测试(多线程安全的隐患)
-(void)moneyTest{
   self.moneyCount = 100;
   dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
   dispatch_async(queue, ^{
       for (int i = 0; i<10; i++) {
          // 存钱
          [self saveMoney];
       }
    });
   dispatch_async(queue, ^{
       for (int i = 0; i<10; i++) {
           // 取钱
           [self drawMoney];
       }
   });
}
// 存钱
-(void)saveMoney{
   int oldMoney = self.moneyCount;
   sleep(0.2);
   oldMoney = oldMoney + 50;
   self.moneyCount = oldMoney;
   NSLog(@"存进去50元,余额是%d - %@",oldMoney,[NSThread currentThread]);
}
// 取钱
-(void)drawMoney{
    int oldMoney = self.moneyCount;
    sleep(0.2);
    oldMoney = oldMoney - 20;
    self.moneyCount = oldMoney;
    NSLog(@"花去20元,余额是%d - %@",oldMoney,[NSThread currentThread]);
}


调用moneyTest 看下面的打印结果(数据错乱)


image.png

4.4、多线程安全隐患分析图


  • 由下图也可以看出 同一块资源在同一个时间段有多个线程访问,这样能够造成资源混乱

image.png

4.5、多线程安全隐患的解决方案


  • 解决方案:使用线程同步技术(同步,就是协同步调,按预定的先后次序进行)
  • 常见的线程同步技术是:加锁
  • 由下图也可以看出 同一块资源在同一个时间段只能由一个线程访问


image.png


五、iOS中的线程同步方案(下面锁的调用都在 ThreadLockViewController里面,锁的封装在JKBaseCode):锁使用的demo


  • 5.1、目前我所知道的有如下 10 种

1、OSSpinLock

2、os_unfair_lock

3、pthread_mutex

4、dispatch_semaphore

5、dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

6、NSLock

7、NSRecursiveLock

8、NSCondition

9、NSConditionLock

10、@synchronized


  • 5.2、OSSpinLock (自旋锁)Height-level lock 多线程的demo:OSSpinLockDemo与OSSpinLockDemo2里面有对买票和存钱取钱的 自旋锁 使用
  • OSSpinLock叫做”自旋锁”,等待锁的线程会处于忙等(busy-wait)状态,一直占用着CPU资源(相当于while循环阻塞线程)
  • 'OSSpinLock' is deprecated: first deprecated in iOS 10.0 - Use os_unfair_lock() from <os/lock.h> instead(在iOS10 被os_unfair_lock取代)
  • 目前已经不再安全,可能会出现优先级反转问题
  • 如果等待锁的线程优先级较高,它会一直占用着CPU资源,优先级低的线程就无法释放锁



image.png


  • OSSpinLock 使用如下:(具体的可以看demo)
导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>
定义锁   
@property(nonatomic,assign) OSSpinLock lock;
// 初始化锁
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 加锁
OSSpinLockLock(&_lock);
加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&_lock);


  • 分析:OSSpinLock 不再安全是因为会出现优先级反转问题,当有多条线程的时候,优先级比较高的线程会优先占用lock(锁),优先级相对较低的线程就无法加锁,只有等优先级高的线程先执行完才可以进行加锁和解锁。


  • 5.3、os_unfair_lock (互斥锁)Low-level lock


  • os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ,从iOS10开始才支持
  • 从底层调用看,等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态,并非忙等
  • 需要导入头文件 #import <os/lock.h>

image.png


  • os_unfair_lock 使用如下:(具体的可以看demo)


导入头文件 #import <os/lock.h>
定义锁   
@property(nonatomic,assign) os_unfair_lock lock;
// 初始化锁
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 加锁
os_unfair_lock_lock(&_lock);
加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&_lock);


  • 5.4、pthread_mutex:(互斥锁)Low-level lock
  • mutex:英[m'ju:teks] 叫做“互斥锁”,等待锁的线程会处于休眠状态
  • 需要导入头文件 #import <pthread.h>
  • Mutex type attributes 有如下四种类型
  • #define PTHREAD_MUTEX_NORMAL 0 普通锁
  • #define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 1  检查错误的锁
  • #define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 2 递归锁
  • #define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT PTHREAD_MUTEX_NORMAL 普通锁


image.png

  • 具体的使用(不懂的看demo)


// 静态初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
// 销毁相关资源
- (void)dealloc
{
   pthread_mutex_destroy(&_ticketMutex);
   pthread_mutex_destroy(&_moneyMutexk);
}


  • 有关 递归锁 的使用请看demo里面的  Pthread_mutexLockDemo2


image.png

带有条件的互斥锁 pthread_mutex_t,看demo里面的 Pthread_mutexLockDemo3 (应用场景是:一条线程的执行需要等待另外一条线程先执行,可以加等待条件condition)


image.png


5.5、NSLock:(互斥锁):对mutex普通锁的封装


image.png

  • 使用如下:


// 定义锁的属性
@property(nonatomic,strong) NSLock *lock;
// 初始化锁
self. lock = [[NSLock alloc]init];
// 加锁
[self.lock lock];
 加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁
[self.lock unlock];


  • 5.6、NSRecursiveLock:也是对mutex递归锁的封装,API跟NSLock基本一致


image.png

  • 使用如下:


// 定义锁的属性
@property(nonatomic,strong) NSRecursiveLock *lock;
// 初始化锁
self. lock = [[NSRecursiveLock alloc]init];
// 加锁
[self.lock lock];
 加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁
[self.lock unlock];


  • 5.7、NSCondition(带有条件的互斥锁):是对mutex和cond的封装


image.png


  • 使用如下:


// 定义锁和条件的属性
@property(nonatomic,strong) NSCondition *conditLock;
// 初始化锁和条件
self. conditLock = [[NSCondition alloc]init];
// 加锁
[self. conditLock lock];
// 等待(等待的条件和唤醒的条件 cond 必须保持一致)
[self.conditLock wait];
加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 唤醒等待
[self.conditLock signal];
// 广播 (唤醒所有等待的条件 cond 必须保持一致)
// [self.conditLock broadcast];  
// 解锁
[self. conditLock unlock];


  • 5.8、NSConditionLock(带有条件的互斥锁):是对NSCondition的进一步封装,可以设置具体的条件值


image.png


  • 使用如下:(适用环境:根据条件设置线程的执行顺序,比如两个网络请求,第2个依赖于第一个的结果,那就就可以设置条件)


// 定义锁和条件的属性
@property(nonatomic,strong) NSConditionLock *conditLock;
// 初始化锁和条件(initWithCondition:跟的是条件)
self.conditLock = [[NSConditionLock alloc]initWithCondition:1];
// 不写条件的话默 条件 为 0
// self.conditLock = [[NSConditionLock alloc]init]; 
// 加锁(根据条件是否相同进行加锁)
[self.conditLock lockWhenCondition:1];
 加锁 和 解锁 中间放 多个线程访问的资源
// 解锁(解锁的条件随便写:如果解锁后要执行其他的线程,可以设置和其他的线程匹配的条件)
[self.conditLock unlockWithCondition:2];
  • 5.9、dispatch_queue (DISPATCH_QUEUE_SERIAL:串行):直接使用GCD的串行队列,也是可以实现线程同步的(只要能够保证在同一时间不共享一块资源就可以)
  • 使用如下:(具体的代码看demo里面的Dispatch_queueDemo)


// 创建全局队列
@property(nonatomic,strong) dispatch_queue_t ticketLock;
// 初始化队列(名字设置:ticketLock)
self.ticketLock = dispatch_queue_create("ticketLock", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(self.ticketLock, ^{
    // 共享资源的代码
});


  • 5.10、dispatch_semaphore (也是最大并发数:只要设置为 1 就可以只执行一件事)
  • semaphore叫做"信号量"
  • 信号量的初始值,可以用来控制线程并发访问的最大数量
  • 信号量的初始值为1,代表同时只允许1条线程访问资源,保证线程同步

image.png

  • 使用如下:


// 定义信号量变量
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;
// 初始化信号量变量
self. semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
// 如果信号量的值 > 0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
// 如果信号量的值 <= 0,就会休眠等待,直到信号量的值变成>0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(self. semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
 多个线程访问的资源
dispatch_semaphore_signal(self. semaphore);


  • 5.11、@synchronized(mutex递归锁的封装)
  • @synchronized是对mutex递归锁的封装
  • 源码查看:objc4中的objc-sync.mm文件
  • @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁,然后进行加锁、解锁操作


image.png

  • 5.12、iOS 线程同步方案性能比较(推荐使用下面的第3和第4)性能从高到低排序
  • os_unfair_lock :从iOS10开始才支持(互斥锁)
  • OSSpinLock :在iOS10 被os_unfair_lock取代
  • dispatch_semaphore
  • pthread_mutex
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSCondition
  • pthread_mutex(recursive)
  • NSRecursiveLock
  • NSConditionLock
  • @synchronized
  • 5.13、自旋锁、互斥锁比较
  • 什么情况使用自旋锁(占用CPU)比较划算?
  • 预计线程等待锁的时间很短
  • 加锁的代码(临界区)经常被调用,但竞争情况很少发生
  • CPU资源不紧张
  • 多核处理器
  • 什么情况使用互斥锁比较划算?
  • 预计线程等待锁的时间较长
  • 单核处理器
  • 临界区有IO操作(文件的读写操作)
  • 临界区代码复杂或者循环量大
  • 临界区竞争非常激烈


六、iOS中的读写安全方案



  • 6.1、思考如何实现以下场景
  • 同一时间,只能有1个线程进行写的操作
  • 同一时间,允许有多个线程进行读的操作
  • 同一时间,不允许既有写的操作,又有读的操作
  • 6.2、上面的场景就是典型的“多读单写”,经常用于文件等数据的读写操作,iOS中的实现方案有
  • pthread_rwlock:读写锁
  • dispatch_barrier_async:异步栅栏调用
  • 6.3、pthread_rwlock:读写锁(互斥锁)
    等待锁的线程会进入休眠


image.png

  • 具体的代码:(具体的可以看demo里面的Pthread_rwlockViewController控制器里面的代码)
  • 读可以多条线程进行
  • 在写的时候没有读的操作 且 写只能有一条线程进行


#import "Pthread_rwlockViewController.h"
#import <pthread.h>
@interface Pthread_rwlockViewController ()
property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;
@end
@implementation Pthread_rwlockViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
    for (int i = 0; i<10; i++) {
          dispatch_async(queue, ^{
               [self read];
          });
          dispatch_async(queue, ^{
               [self write];
          });
    }
}
// 读文件
-(void)read{
   // 读可以多条线程进行
   pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
   sleep(1.0);
   NSLog(@"--读--");
   pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
// 写文件
-(void)write{
   // 在写的时候没有读的操作 且 写只能有一条线程进行
   pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
   sleep(1.0);
   NSLog(@"--写--");
   pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
@end


  • 6.4、dispatch_barrier_async
  • 这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
  • 如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列,那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果


image.png

  • 具体的代码看demo里面Dispatch_barrier_asyncViewController控制器


  • 6.5、这是上面所有代码的demo
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