iOS开发:多线程

在iOS开发中，多线程是一个非常重要的概念。它可以帮助我们提高应用程序的性能、响应速度和资源利用率。本篇博客将深入探讨多线程的原理、优缺点、实现方式、状态、锁、应用场景以及保活，帮助读者更好地理解iOS多线程编程。

多线程原理

多线程是指在一个进程内同时运行多个线程，每个线程都拥有独立的执行序列和上下文环境。与单线程相比，多线程可以在同一时间内完成更多的任务，从而使程序更具有响应性。在iOS中，多线程的实现依赖于操作系统的调度机制，由系统来负责线程的创建、调度和销毁。通常情况下，每个线程都有自己的栈空间和寄存器，它们之间共享进程的虚拟地址空间和全局变量。

多线程的优缺点

多线程的优点主要有：

• 提高CPU利用率，提高程序的响应速度和处理能力；
• 支持并发处理多任务，提高系统的并发度和稳定性；
• 实现异步编程，避免阻塞主线程，提高用户体验；
• 分离UI线程和耗时任务，保证UI的流畅性。

但是多线程也有一些缺点：

• 线程切换开销大，需要占用额外的CPU资源；
• 可能出现死锁、竞态条件等线程安全问题；
• 需要考虑线程同步和协作问题，编写复杂度较高。

在使用多线程时，我们需要权衡多线程的优缺点，并选择适合当前场景的解决方案。

进程和线程的区别

进程和线程都是操作系统中的概念，但是它们有着明显的区别。

进程是一个独立的执行单元，拥有自己的内存空间、文件描述符、信号处理器等资源，进程之间不能直接共享数据，只能通过IPC机制来通信。每个进程都有自己的地址空间，因此进程之间的互相干扰很小，但是进程切换的开销比线程大。

线程是进程中的一个执行单元，线程共享进程的地址空间、文件描述符等资源，不同的线程可以直接操作共享的数据，因此线程之间的协作和同步更加方便。但是线程切换的开销比进程小，因为线程之间的数据隔离较弱，容易出现竞态条件等线程安全问题。

多线程的实现方式

在iOS中，多线程可以通过以下几种方式来实现：

NSThread

NSThread是Foundation框架中的一个类，它提供了线程对象的封装。通过创建NSThread对象，我们可以手动启动线程，并控制线程的生命周期。NSThread相对简单，适合一些简单的多线程场景。

//单独一个线程执行任务
//这种方式适合简单的并发任务，但需要手动管理线程的生命周期。
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run:) object:nil];
[thread start];

- (void)run:(id)object {
    // 执行任务代码
}


//多个线程执行相同任务
//这种方式可以同时启动多个线程执行相同的任务，提高执行效率。
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run:) object:nil];
    [thread start];
}


//多个线程执行不同任务
//这种方式可以同时启动多个线程执行不同的任务，提高执行效率。
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run:) object:@(i)];
    [thread start];
}

- (void)run:(NSNumber *)number {
    int i = [number intValue];
    // 根据不同参数执行不同任务
}

GCD

GCD（Grand Central Dispatch）是苹果推荐的多线程解决方案之一。它是一个基于C语言的API，提供了高效、可扩展的异步执行机制。GCD将任务分成小块并分散到多个线程中执行，可以充分利用系统的资源。

//在主队列中异步执行任务
//这种方式适合在主线程中执行一些不耗时的任务，比如UI界面的更新操作。
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 执行任务代码
});


//在全局队列中异步执行任务
//这种方式适合执行耗时的任务，在不阻塞主线程的情况下提高执行效率。
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 执行任务代码
});


//串行队列中同步执行任务
//这种方式适合按照顺序执行多个任务，保证任务之间的同步性。
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{
    // 执行任务代码
});


//并发队列中异步执行任务
//这种方式适合同时执行多个任务，提高执行效率。
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(queue, ^{
    // 执行任务代码
});


// 延迟提交任务到队列中
dispatch_time_t delayTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC));
dispatch_after(delayTime, dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 延迟执行任务
});


//等待多个任务完成后再执行其他任务
//这种方式可以等待多个任务完成后再执行其他任务，保证任务之间的同步性。
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

// 添加任务到group中
dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 执行任务1代码
});

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 执行任务2代码
});

// 等待所有任务执行完毕
dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);

// 执行其他任务代码

NSOperationQueue

NSOperationQueue是基于GCD的高级抽象，它提供了一种更面向对象的方式来管理任务。通过创建NSOperation对象并添加到队列中，我们可以方便地控制任务的执行顺序和依赖关系，以及限制并发数等。NSOperationQueue相对于GCD来说更加灵活，适合一些复杂的多线程场景。

//创建并发任务
//这种方式可以创建包含多个任务的并发任务执行，并发任务会自动管理线程的生命周期。
NSBlockOperation *operation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 执行任务代码
}];

// 添加多个任务到operation中
[operation addExecutionBlock:^{
    // 执行任务1代码
}];

[operation addExecutionBlock:^{
    // 执行任务2代码
}];

// 创建队列并添加operation到队列中执行
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
[queue addOperation:operation];


//设置任务之间的依赖关系
//这种方式可以设置任务之间的依赖关系，保证任务按照规定的顺序执行。
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

NSOperation *operation1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 执行任务1代码
}];

NSOperation *operation2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 执行任务2代码
}];

// 设置operation2在operation1完成后执行
[operation2 addDependency:operation1];

[queue addOperation:operation1];
[queue addOperation:operation2];

线程的状态

在多线程编程中，线程有以下几种状态：

• 新建（New）：当我们创建一个线程时，它处于新建状态。
• 就绪（Runnable）：当线程被创建后并不会立即执行，而是等待CPU资源分配。当CPU资源可用时，线程进入就绪状态。
• 运行（Running）：当线程获得CPU资源后，开始执行线程的代码，处于运行状态。
• 阻塞（Blocked）：当线程需要等待某些事件发生时（如I/O操作），将进入阻塞状态，直到事件完成。
• 终止（Terminated）：当线程执行结束或异常终止时，将进入终止状态。

多线程锁

在多线程编程中，由于线程之间共享同一进程的内存空间，可能会出现多个线程同时访问同一变量的情况。为了避免竞态条件等问题，我们需要使用锁机制来保护临界区的代码。常见的锁包括互斥锁、自旋锁、读写锁等。

互斥锁（Mutex）

互斥锁是最常见的一种锁机制。它采用二元信号量来实现对共享资源的互斥访问。当某个线程需要访问共享资源时，首先尝试获取互斥锁。如果锁已经被其他线程占用，则当前线程会被阻塞，直到其他线程释放锁。当当前线程获得锁后，可以安全地访问共享资源，并在访问完毕后释放锁。

// 创建互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

// 上锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 访问共享资源

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

自旋锁（Spinlock）

自旋锁是一种忙等待的锁机制。当某个线程需要访问共享资源时，如果锁已经被其他线程占用，则当前线程会一直循环检查锁是否可用，直到其他线程释放锁。自旋锁适用于临界区很小的情况下，因为长时间持有锁会浪费CPU资源。

// 创建自旋锁
os_unfair_lock spinlock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;

// 上锁
os_unfair_lock_lock(&spinlock);

// 访问共享资源

// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&spinlock);

读写锁（RWLock）

读写锁是一种特殊的锁机制，它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程进行写操作。这样可以提高读取性能，同时保证数据的一致性。当某个线程需要访问共享资源时，如果没有其他线程正在进行写操作，则当前线程可以获得读锁；否则，当前线程会被阻塞，直到写操作完成。

// 创建读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

// 上读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

// 访问共享资源

// 解读锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 上写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

// 修改共享资源

// 解写锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

多线程应用场景

在iOS开发中，多线程可以应用于以下几个场景：

• 数据下载：当我们需要从网络上下载大量数据时，可以将下载任务放到后台线程中执行，防止卡顿界面。
• 图片处理：当我们需要对图片进行裁剪、缩放等操作时，可以将耗时的任务放到后台线程中执行，防止影响用户体验。
• 数据库操作：当我们需要对数据库进行读写操作时，可以将操作放到后台线程中执行，避免阻塞主线程。
• 音视频播放：当我们需要播放音视频时，可以将播放任务放到后台线程中执行，避免影响其他UI操作。
• 定时任务：当我们需要定时执行某些任务时，可以使用NSTimer或GCD定时器来实现。

// 在一个社交应用中，当用户浏览朋友圈时，可能需要同时加载多张图片，我们可以将图片加载任务放到后台队列中执行
// 创建一个后台队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0);

// 在后台队列中执行图片加载任务
dispatch_async(queue, ^{
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://example.com/image.jpg"];
    NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:data];
    
    // 将图片显示到 UI 上需要回到主线程
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        self.imageView.image = image;
    });
});

// 在一个电商应用中，当用户下单时，需要进行多项操作，包括生成订单、更新商品库存、发送邮件等
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

NSBlockOperation *createOrderOp = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 生成订单
}];

NSBlockOperation *updateStockOp = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 更新商品库存
}];

NSBlockOperation *sendEmailOp = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    // 发送邮件
}];

[updateStockOp addDependency:createOrderOp];
[sendEmailOp addDependency:updateStockOp];

[queue addOperations:@[createOrderOp, updateStockOp, sendEmailOp] waitUntilFinished:YES];

多线程保活

在iOS中，如果一个线程没有被引用，系统可能会将其回收，导致线程退出。为了避免这种情况，我们需要对线程进行保活。常见的保活方式包括：

• 使用RunLoop：在线程中启动RunLoop，并添加至少一个输入源（如定时器）或者观察者（如CFRunLoopObserverRef），使得RunLoop处于运行状态，从而保持线程不退出。
• 使用信号量：在线程中创建信号量，并在任务完成后调用信号量的signal方法，通知等待的线程继续执行。

// 使用RunLoop保活线程
- (void)startThread {
    self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadMain) object:nil];
    [self.thread start];
}

- (void)threadMain {
    @autoreleasepool {
        // 添加输入源
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        // 进入RunLoop
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
}

// 使用信号量保活线程
- (void)startThread {
    self.semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
    self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadMain) object:nil];
    [self.thread start];
}

- (void)threadMain {
    // 执行任务
    [self doSomething];
    // 释放信号量
    dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}