iOS底層原理探索—多線程的本質(zhì)

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前言

多線程是iOS開發(fā)中很重要的一個環(huán)節(jié)，無論是開發(fā)過程還是在面試環(huán)節(jié)中，多線程出現(xiàn)的頻率都非常高。我們會通過幾篇文章的探索，深入淺出的分析多線程技術(shù)。

多線程

在學(xué)習(xí)多線程之前，我們先熟悉幾個概念。

一、概念

1、進(jìn)程

當(dāng)一個程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行時，即變成一個進(jìn)程。進(jìn)程是處于運(yùn)行過程中的程序，并且具有一定的獨(dú)立功能，進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位。

進(jìn)程的特點(diǎn)：

  • 獨(dú)立性：是系統(tǒng)獨(dú)立存在的實(shí)體，擁有自己獨(dú)立的資源，有自己私有的地址空間。在沒有經(jīng)過進(jìn)程本身允許的情況下，一個用戶的進(jìn)程不可以直接訪問其他進(jìn)程的地址空間。
  • 動態(tài)性：進(jìn)程與程序的區(qū)別在于：程序只是一個靜態(tài)的指令集合，而進(jìn)程是一個正在系統(tǒng)中活動的指令集和，進(jìn)程中加入了時間的概念。進(jìn)程具有自己的生命周期和不同的狀態(tài)，這些都是程序不具備的。
  • 并發(fā)性：多個進(jìn)程可以在單個處理器上并發(fā)執(zhí)行，多個進(jìn)程之間不會相互影響。

2、線程

線程是指程序在執(zhí)行過程中，能夠執(zhí)行程序代碼的一個執(zhí)行單元，是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個單一順序的控制流，一個進(jìn)程中可以并發(fā)多個線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。進(jìn)程中可以擁有多個線程，但是至少有一個線程。一個線程必須有一個父進(jìn)程。

3、隊(duì)列

隊(duì)列，又稱為佇列（queue），是先進(jìn)先出（FIFO, First-In-First-Out）的線性表，在具體應(yīng)用中通常用鏈表或者數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。裝載線程任務(wù)的隊(duì)形結(jié)構(gòu)。隊(duì)列只允許在后端（稱為rear）進(jìn)行插入操作，在前端（稱為front）進(jìn)行刪除操作。隊(duì)列的操作方式和堆棧類似，唯一的區(qū)別在于隊(duì)列只允許新數(shù)據(jù)在后端進(jìn)行添加。

隊(duì)列示意圖.png

隊(duì)列的類型

隊(duì)列的類型決定了任務(wù)的執(zhí)行方式（并發(fā)、串行），隊(duì)列包括以下幾種：

  • 并發(fā)隊(duì)列(Concurrent Dispatch Queue)： 線程執(zhí)行可以同時一起進(jìn)行執(zhí)行,不需要上一個執(zhí)行完，就能執(zhí)行下一個的。
  • 串行隊(duì)列(Serial Dispatch Queue)： 線程執(zhí)行只能依次逐一先后有序的執(zhí)行,等待上一個執(zhí)行完，再執(zhí)行下一個。
  • 主隊(duì)列：綁定主線程，所有任務(wù)都在主線程中執(zhí)行，有經(jīng)過特殊處理的串行隊(duì)列。
  • 全局隊(duì)列：系統(tǒng)提供的并發(fā)隊(duì)列。

4、同步、異步

  • 同步 sync： 只能在當(dāng)前線程按先后順序依次執(zhí)行任務(wù)，不具備開啟新線程的能力。
  • 異步 async： 在新的線程中執(zhí)行任務(wù)，具備開啟新線程的能力。
    同步異步區(qū)別.png

二、多線程方案

常見的多線程方案.png

在實(shí)際開發(fā)過程中，GCD和NSOperation兩種多線程方案的使用頻率較高，GCD更接近底層，NSOperation基于GCD封裝的，更加面向?qū)ο蟆?p>

GCD和NSOperation區(qū)別

1、GCD僅僅支持FIFO隊(duì)列，不支持異步操作之間的依賴關(guān)系設(shè)置。而NSOperation中的隊(duì)列可以被重新設(shè)置優(yōu)先級，從而實(shí)現(xiàn)不同操作的執(zhí)行順序調(diào)整。
2、NSOperation支持KVO，可以觀察任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。
3、GCD更接近底層，GCD在追求性能的底層操作來說，是速度最快的。
4、從異步操作之間的事務(wù)性，順序行，依賴關(guān)系。GCD需要自己寫更多的代碼來實(shí)現(xiàn)，而NSOperation已經(jīng)內(nèi)建了這些支持
5、如果異步操作的過程需要更多的被交互和UI呈現(xiàn)出來，NSOperation更好。底層代碼中，任務(wù)之間不太互相依賴，而需要更高的并發(fā)能力，GCD則更有優(yōu)勢

GCD

GCD的代碼是開源的，大家可以通過下載源碼，分析源碼進(jìn)一步了解GCD。
GCD中兩個執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)：
同步執(zhí)行任務(wù)：

//queue：隊(duì)列   block：任務(wù)
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

異步執(zhí)行任務(wù)：

//queue：隊(duì)列   block：任務(wù)
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

我們通過代碼來幫助了解同步執(zhí)行和異步執(zhí)行：

同步執(zhí)行.png

我們在全局隊(duì)列中同步執(zhí)行任務(wù)1和任務(wù)2，通過打印可以看出，同步執(zhí)行是按順序執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行完任務(wù)1再執(zhí)行任務(wù)2。并且打印當(dāng)前線程，同步執(zhí)行是在主線程中執(zhí)行任務(wù)，沒有開啟新線程。
我們再來看一下異步執(zhí)行：
異步執(zhí)行.png

可以看出任務(wù)1和任務(wù)2交錯執(zhí)行，并非同步執(zhí)行那樣執(zhí)行完任務(wù)1再執(zhí)行任務(wù)2。而且通過線程編號可以看出，的確開啟了新的線程。說明異步執(zhí)行具備開啟新線程的能力。

但是，如果在主隊(duì)列中異步執(zhí)行，是不會開啟新線程的：

主隊(duì)列中異步執(zhí)行.png

由于主隊(duì)列也是串行隊(duì)列，雖然是異步執(zhí)行，但是仍舊執(zhí)行完任務(wù)1再執(zhí)行任務(wù)2，并且是在主線程匯中執(zhí)行，沒有開啟新的線程。

我們用一張表格來總結(jié)一下：


各種隊(duì)列執(zhí)行效果.png
總結(jié)

同步函數(shù)或者主隊(duì)列：沒有開啟新線程、串行執(zhí)行任務(wù)；
異步函數(shù)且非主隊(duì)列：有開啟新線程、執(zhí)行方式取決與隊(duì)列類型并發(fā)或串行

下面我們用幾個例子來幫助我們理解：

1、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_sync(queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2");
    });
    NSLog(@"任務(wù)3");
}

答案是只會打印任務(wù)1，然后程序崩潰

首先分析一下代碼：主線程執(zhí)行完任務(wù)1后，在主隊(duì)列dispatch_get_main_queue()中同步執(zhí)行(dispatch_sync)任務(wù)2，然后執(zhí)行任務(wù)3。

隊(duì)列的特點(diǎn)是FIFO，主隊(duì)列中已經(jīng)存在任務(wù)viewDidLoad，往主隊(duì)列加入任務(wù)2，就需要執(zhí)行完viewDidLoad才能執(zhí)行任務(wù)2。但是想要執(zhí)行完viewDidLoad又必須先執(zhí)行viewDidLoad內(nèi)的任務(wù)2和任務(wù)3。這就造成了死鎖。

死鎖1.png

2、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2");
    });
    NSLog(@"任務(wù)3");
}

答案是任務(wù)1，任務(wù)3，任務(wù)2

主線程執(zhí)行任務(wù)1之后，需要異步(dispatch_async)執(zhí)行任務(wù)2；而dispatch_async不要求立馬在當(dāng)前線程同步執(zhí)行任務(wù)；所以主線程接著執(zhí)行任務(wù)3，最后異步執(zhí)行任務(wù)2。

不會死鎖.png

3、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_async(queue, ^{ 
        NSLog(@"任務(wù)2");
        dispatch_sync(queue, ^{ 
            NSLog(@"任務(wù)3");
        });
        NSLog(@"任務(wù)4");
    });
    NSLog(@"任務(wù)5");
}

答案是任務(wù)1，任務(wù)5，任務(wù)2，然后程序崩潰

主線程執(zhí)行任務(wù)1之后，在串行隊(duì)列DISPATCH_QUEUE_SERIAL中異步(dispatch_async)執(zhí)行任務(wù)2，這時會開啟子線程，不影響執(zhí)行任務(wù)5。在子線程串行隊(duì)列中，執(zhí)行任務(wù)2，接著立刻同步(dispatch_sync)執(zhí)行任務(wù)3。但是在串行隊(duì)列中需要執(zhí)行完任務(wù)4之后才能執(zhí)行任務(wù)3，因此會產(chǎn)生死鎖。

死鎖2.png

4、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("myQueue2", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2");
        dispatch_sync(queue2, ^{ 
            NSLog(@"任務(wù)3");
        });
        NSLog(@"任務(wù)4");
    });
    NSLog(@"任務(wù)5");
}

答案是任務(wù)1，任務(wù)5，任務(wù)2，任務(wù)3，任務(wù)4

主線程執(zhí)行任務(wù)1后，需要異步(dispatch_async)執(zhí)行任務(wù)2；所以先執(zhí)行主線程的任務(wù)5，然后執(zhí)行任務(wù)2；接著需要在并發(fā)隊(duì)列中同步(dispatch_sync)執(zhí)行任務(wù)3；然后執(zhí)行串行隊(duì)列中的任務(wù)4。

不會產(chǎn)生死鎖.png

5、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("myQueue2", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2");
        dispatch_sync(queue2, ^{
            NSLog(@"任務(wù)3");
        });
        NSLog(@"任務(wù)4");
    });
    NSLog(@"任務(wù)5");
}

答案是任務(wù)1，任務(wù)5，任務(wù)2，任務(wù)3，任務(wù)4

主線程執(zhí)行任務(wù)1之后，需要異步(dispatch_async)執(zhí)行串行隊(duì)列中的任務(wù)2；所以先執(zhí)行主線程的任務(wù)5，然后執(zhí)行任務(wù)2；接著需要在另外一個串行隊(duì)列中同步(dispatch_sync)執(zhí)行任務(wù)3；然后回到第一個串行隊(duì)列中執(zhí)行任務(wù)4。

同樣不會產(chǎn)生死鎖.png

6、下面代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSLog(@"任務(wù)1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2");
        dispatch_sync(queue, ^{
            NSLog(@"任務(wù)3");
        });
        NSLog(@"任務(wù)4");
    });
    NSLog(@"任務(wù)5");
}

答案是任務(wù)1，任務(wù)5，任務(wù)2，任務(wù)3，任務(wù)4

主線程執(zhí)行任務(wù)1之后，需要異步(dispatch_async)執(zhí)行任務(wù)2；所以先執(zhí)行主線程的任務(wù)5，然后執(zhí)行任務(wù)2；接著需要在并發(fā)隊(duì)列中同步(dispatch_sync)執(zhí)行任務(wù)3；然后執(zhí)行并發(fā)隊(duì)列中的任務(wù)4。

不會發(fā)生死鎖.png

總結(jié)

使用同步函數(shù)dispatch_sync往當(dāng)前串行隊(duì)列中添加任務(wù)，會卡住當(dāng)前的串行隊(duì)列，即產(chǎn)生死鎖。

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