OC底層知識(十一) : 多線程

一、簡介：多線程在之前進(jìn)行過一篇詳細(xì)的基礎(chǔ)博客 iOS多線程
二、多線程的基礎(chǔ)知識回顧
  • 1.1、iOS中的常見多線程方案
技術(shù)方案 簡介 語言 線程生命周期 使用頻率
pthread 一套通用的多線程API;適用于Unix\Linux\Windows等系統(tǒng);跨平臺\可移植;使用難度大 C語言 程序員管理 幾乎不用
NSThread 使用更加面向?qū)ο?；簡單易用，可直接操作線程對象 OC 程序員管理 偶爾使用
GCD 旨在替代NSThread等線程技術(shù)；充分利用設(shè)備的多核 C 自動管理 經(jīng)常使用
NSOperation 基于GCD（底層是GCD）；比GCD多了一些更簡單實用的功能；使用更加面向?qū)ο?/td> OC 自動管理 經(jīng)常使用

  • 1.2、GCD中有2個用來執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)(queue：隊列 block：任務(wù))

    • 用同步的方式執(zhí)行任務(wù)

      dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

    • 用異步的方式執(zhí)行任務(wù)

      dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

    • GCD源碼

  • 1.3、GCD的隊列可以分為2大類型

    • 并發(fā)隊列（Concurrent Dispatch Queue）
      • 可以讓多個任務(wù)并發(fā)（同時）執(zhí)行（自動開啟多個線程同時執(zhí)行任務(wù)）
      • 并發(fā)功能只有在異步（dispatch_async）函數(shù)下才有效
    • 串行隊列（Serial Dispatch Queue）
      • 讓任務(wù)一個接著一個地執(zhí)行（一個任務(wù)執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行下一個任務(wù)）

  • 1.4、有4個術(shù)語比較容易混淆：同步、異步、并發(fā)、串行

    • 同步(dispatch_sync)和異步(dispatch_async)主要影響：能不能開啟新的線程
      • 同步：在當(dāng)前線程中執(zhí)行任務(wù)，不具備開啟新線程的能力
      • 異步：在新的線程中執(zhí)行任務(wù)，具備開啟新線程的能力
    • 并發(fā)和串行主要影響：任務(wù)的執(zhí)行方式
      • 并發(fā)：多個任務(wù)并發(fā)（同時）執(zhí)行
      • 串行：一個任務(wù)執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行下一個任務(wù)

  • 1.5、各種隊列的執(zhí)行效果

    各種隊列的執(zhí)行效果

    注意:使用sync函數(shù)往當(dāng)前串行隊列中添加任務(wù)，會卡住當(dāng)前的串行隊列。如下：

    #pragma mark 看下面的代碼是否會產(chǎn)生死鎖：會
// 隊列的特點：排隊，F(xiàn)IFO，F(xiàn)irst In First Out，先進(jìn)先出
-(void)interview1{

     NSLog(@"---------1-------");

     dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
     dispatch_sync(queue, ^{
 
           NSLog(@"---------2-------");
     });
     // dispatch_sync: 立馬在當(dāng)前線程執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行完畢才能繼續(xù)往下執(zhí)行
     NSLog(@"---------3-------");

}

    總結(jié)：只要不存在誰等誰的情況就不會有線程的阻塞

  • 1.6、看下面的打印結(jié)果

    -(void)interview6{

  dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
  dispatch_async(queue, ^{

     NSLog(@"1");
     
     // 這句代碼的本質(zhì)是往Runloop中添加定時器
     [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:.0];
     /**
          沒有添加定時器（test可以立馬執(zhí)行）
          [self performSelector:@selector(test) withObject:nil];
      */ 

     NSLog(@"3");
  });   
}

-(void)test{
   NSLog(@"2");
}

    打印結(jié)果是：1、3
    原因：

    performSelector:withObject:afterDelay:這句代碼的本質(zhì)是往Runloop中添加定時器
子線程默認(rèn)沒有啟動Runloop
可以添加下面的代碼來啟動RunLoop
[[NSRunLoop currentRunLoop]addPort:[[NSPort alloc]init] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];

  • 1.7、GNUstep 是GNU計劃的項目之一，它將Cocoa的OC庫重新開源實現(xiàn)了一遍

三、多線程 GCD 隊列組：notify(喚醒)
 // 創(chuàng)建隊列組
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
// 創(chuàng)建并發(fā)隊列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("my_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

// 添加異步任務(wù)
dispatch_group_async(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"任務(wù)1-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"任務(wù)2-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});

下面使用喚醒代碼（和上面的代碼是連著的）

  • 3.1、喚醒后在主線程執(zhí)行任務(wù)
// 等前面的任務(wù)執(zhí)行完畢后，會自動執(zhí)行這個任務(wù)
dispatch_group_notify(group, queue, ^{
   // async 異步，dispatch_get_main_queue() 主線程
   dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
             NSLog(@"任務(wù)3-%@", [NSThread currentThread]);
        }
   });
});

  • 3.2、喚醒后在主線程執(zhí)行任務(wù)

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

  • 3.3、喚醒后再執(zhí)行另外兩個子線程任務(wù)

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

dispatch_group_notify(group, queue, ^{
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      NSLog(@"任務(wù)4-%@", [NSThread currentThread]);
    }
});
四、多線程安全隱患: 常見的是 買票 與 存錢取錢

  • 4.1、多線程安全隱患在什么情況下會出現(xiàn)

    • 資源共享

      • 1塊資源可能會被多個線程共享，也就是多個線程可能會訪問同一塊資源
      • 比如多個線程訪問同一個對象、同一個變量、同一個文件

    • 當(dāng)多個線程訪問同一塊資源時，很容易引發(fā)數(shù)據(jù)錯亂和數(shù)據(jù)安全問題

  • 4.2、安全隱患的展示：(買票)


    安全隱患的展示：(買票)
    /**
   票的數(shù)量
 */
@property(nonatomic,assign) int ticketCount;

-(void)ticketTest{
    // 放出 20張票
    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];
     }
   });
}
// 線程調(diào)用買票
-(void)buyTicket{

   int oldTickCount = self.ticketCount;
   sleep(0.2);
   oldTickCount --;
   self.ticketCount = oldTickCount;

   NSLog(@"還有%d張票-%@",oldTickCount,[NSThread currentThread]);
}

    調(diào)用ticketTest 看下面的打印結(jié)果(數(shù)據(jù)錯亂)


    調(diào)用ticketTest 看下面的打印結(jié)果

  • 4.3、安全隱患的展示：(存錢與取錢)


    安全隱患的展示：(存錢與取錢)
    /**
   錢的數(shù)量
 */
@property(nonatomic,assign) int moneyCount;

#pragma mark 9.取錢存錢的測試(多線程安全的隱患)
-(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++) {
     
          // 存錢
          [self saveMoney];
       }
    });

   dispatch_async(queue, ^{
 
       for (int i = 0; i<10; i++) {
     
           // 取錢
           [self drawMoney];
       }
   });
}

// 存錢
-(void)saveMoney{

   int oldMoney = self.moneyCount;
   sleep(0.2);
   oldMoney = oldMoney + 50;
   self.moneyCount = oldMoney;

   NSLog(@"存進(jìn)去50元，余額是%d - %@",oldMoney,[NSThread currentThread]);
}

// 取錢
-(void)drawMoney{

    int oldMoney = self.moneyCount;
    sleep(0.2);
    oldMoney = oldMoney - 20;
    self.moneyCount = oldMoney;

    NSLog(@"花去20元，余額是%d - %@",oldMoney,[NSThread currentThread]);
}

    調(diào)用moneyTest 看下面的打印結(jié)果(數(shù)據(jù)錯亂)


    調(diào)用moneyTest 看下面的打印結(jié)果(數(shù)據(jù)錯亂)

  • 4.4、多線程安全隱患分析圖

    • 由下圖也可以看出 同一塊資源在同一個時間段有多個線程訪問，這樣能夠造成資源混亂
      多線程安全隱患分析圖

  • 4.5、多線程安全隱患的解決方案

    • 解決方案：使用線程同步技術(shù)（同步，就是協(xié)同步調(diào)，按預(yù)定的先后次序進(jìn)行）
    • 常見的線程同步技術(shù)是：加鎖
    • 由下圖也可以看出 同一塊資源在同一個時間段只能由一個線程訪問
多線程安全隱患的解決方案(枷鎖)
五、iOS中的線程同步方案（下面鎖的調(diào)用都在 ThreadLockViewController里面，鎖的封裝在JKBaseCode）：鎖使用的demo

  • 5.1、目前我所知道的有如下 10 種

    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 (自旋鎖)Height-level lock 多線程的demo:OSSpinLockDemo與OSSpinLockDemo2里面有對買票和存錢取錢的 自旋鎖 使用

    • OSSpinLock叫做”自旋鎖”，等待鎖的線程會處于忙等（busy-wait）狀態(tài)，一直占用著CPU資源(相當(dāng)于while循環(huán)阻塞線程)

    • '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)

    • 目前已經(jīng)不再安全，可能會出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

      • 如果等待鎖的線程優(yōu)先級較高，它會一直占用著CPU資源，優(yōu)先級低的線程就無法釋放鎖


        OSSpinLock (自旋鎖)

    • OSSpinLock 使用如下：（具體的可以看demo）

      導(dǎo)入頭文件#import <libkern/OSAtomic.h>

定義鎖   
@property(nonatomic,assign) OSSpinLock lock;
// 初始化鎖
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;

// 加鎖
OSSpinLockLock(&_lock);

加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&_lock);

    • 分析：OSSpinLock 不再安全是因為會出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，當(dāng)有多條線程的時候，優(yōu)先級比較高的線程會優(yōu)先占用lock(鎖)，優(yōu)先級相對較低的線程就無法加鎖，只有等優(yōu)先級高的線程先執(zhí)行完才可以進(jìn)行加鎖和解鎖。

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

    • os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，從iOS10開始才支持

      • 從底層調(diào)用看，等待os_unfair_lock鎖的線程會處于休眠狀態(tài)，并非忙等
      • 需要導(dǎo)入頭文件 #import <os/lock.h>
        os_unfair_lock：互斥鎖

    • os_unfair_lock 使用如下：（具體的可以看demo）

      導(dǎo)入頭文件 #import <os/lock.h>

定義鎖   
@property(nonatomic,assign) os_unfair_lock lock;
// 初始化鎖
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;

// 加鎖
os_unfair_lock_lock(&_lock);

加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖
os_unfair_lock_unlock(&_lock);

  • 5.4、pthread_mutex:(互斥鎖)Low-level lock

    • mutex：英[m'ju:teks] 叫做“互斥鎖”，等待鎖的線程會處于休眠狀態(tài)

    • 需要導(dǎo)入頭文件 #import <pthread.h>

    • Mutex type attributes 有如下四種類型

      • #define PTHREAD_MUTEX_NORMAL 0 普通鎖
      • #define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 1 檢查錯誤的鎖
      • #define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 2 遞歸鎖
      • #define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT PTHREAD_MUTEX_NORMAL 普通鎖
        pthread_mutex

    • 具體的使用(不懂的看demo)

      // 靜態(tài)初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 初始化屬性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化鎖
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 銷毀屬性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

// 加鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);

加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);

// 銷毀相關(guān)資源
- (void)dealloc
{
   pthread_mutex_destroy(&_ticketMutex);
   pthread_mutex_destroy(&_moneyMutexk);
}

    • 有關(guān) 遞歸鎖 的使用請看demo里面的 Pthread_mutexLockDemo2

      pthread_mutex – 遞歸鎖

    • 帶有條件的互斥鎖 pthread_mutex_t,看demo里面的 Pthread_mutexLockDemo3 (應(yīng)用場景是：一條線程的執(zhí)行需要等待另外一條線程先執(zhí)行，可以加等待條件condition)

      pthread_mutex – 條件

  • 5.5、NSLock:(互斥鎖)：對mutex普通鎖的封裝

    NSLock:(**互斥鎖**)
    • 使用如下：
    // 定義鎖的屬性
@property(nonatomic,strong) NSLock *lock;

// 初始化鎖
self. lock = [[NSLock alloc]init];

// 加鎖
[self.lock lock];

 加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖
[self.lock unlock];

  • 5.6、NSRecursiveLock:也是對mutex遞歸鎖的封裝，API跟NSLock基本一致

    NSRecursiveLock

    • 使用如下：

      // 定義鎖的屬性
@property(nonatomic,strong) NSRecursiveLock *lock;

// 初始化鎖
self. lock = [[NSRecursiveLock alloc]init];

// 加鎖
[self.lock lock];

 加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖
[self.lock unlock];

  • 5.7、NSCondition(帶有條件的互斥鎖):是對mutex和cond的封裝


    NSCondition(帶有條件的互斥鎖)

    • 使用如下：

      // 定義鎖和條件的屬性
@property(nonatomic,strong) NSCondition *conditLock;

// 初始化鎖和條件
self. conditLock = [[NSCondition alloc]init];

// 加鎖
[self. conditLock lock];

// 等待(等待的條件和喚醒的條件 cond 必須保持一致)
[self.conditLock wait];

加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源
// 喚醒等待
[self.conditLock signal];
// 廣播 (喚醒所有等待的條件 cond 必須保持一致)
// [self.conditLock broadcast];  

// 解鎖
[self. conditLock unlock];

  • 5.8、NSConditionLock(帶有條件的互斥鎖):是對NSCondition的進(jìn)一步封裝，可以設(shè)置具體的條件值


    NSConditionLock

    • 使用如下：(適用環(huán)境：根據(jù)條件設(shè)置線程的執(zhí)行順序，比如兩個網(wǎng)絡(luò)請求，第2個依賴于第一個的結(jié)果，那就就可以設(shè)置條件)

      // 定義鎖和條件的屬性
@property(nonatomic,strong) NSConditionLock *conditLock;

// 初始化鎖和條件(initWithCondition:跟的是條件)
self.conditLock = [[NSConditionLock alloc]initWithCondition:1];
// 不寫條件的話默 條件 為 0
// self.conditLock = [[NSConditionLock alloc]init]; 

// 加鎖(根據(jù)條件是否相同進(jìn)行加鎖)
[self.conditLock lockWhenCondition:1];

 加鎖 和 解鎖 中間放 多個線程訪問的資源

// 解鎖(解鎖的條件隨便寫：如果解鎖后要執(zhí)行其他的線程，可以設(shè)置和其他的線程匹配的條件)
[self.conditLock unlockWithCondition:2];

  • 5.9、dispatch_queue (DISPATCH_QUEUE_SERIAL:串行)：直接使用GCD的串行隊列，也是可以實現(xiàn)線程同步的（只要能夠保證在同一時間不共享一塊資源就可以）

    • 使用如下：(具體的代碼看demo里面的Dispatch_queueDemo)

      // 創(chuàng)建全局隊列
@property(nonatomic,strong) dispatch_queue_t ticketLock;

// 初始化隊列(名字設(shè)置：ticketLock)
self.ticketLock = dispatch_queue_create("ticketLock", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

dispatch_sync(self.ticketLock, ^{
    // 共享資源的代碼
});

  • 5.10、dispatch_semaphore (也是最大并發(fā)數(shù)：只要設(shè)置為 1 就可以只執(zhí)行一件事)

    • semaphore叫做"信號量"

    • 信號量的初始值，可以用來控制線程并發(fā)訪問的最大數(shù)量

    • 信號量的初始值為1，代表同時只允許1條線程訪問資源，保證線程同步


      semaphore 信號量

    • 使用如下：

      // 定義信號量變量
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;

// 初始化信號量變量
self. semaphore = dispatch_semaphore_create(1);

// 如果信號量的值 > 0，就讓信號量的值減1，然后繼續(xù)往下執(zhí)行代碼
// 如果信號量的值 <= 0，就會休眠等待，直到信號量的值變成>0，就讓信號量的值減1，然后繼續(xù)往下執(zhí)行代碼
dispatch_semaphore_wait(self. semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

 多個線程訪問的資源

dispatch_semaphore_signal(self. semaphore);

  • 5.11、@synchronized(mutex遞歸鎖的封裝)

    • @synchronized是對mutex遞歸鎖的封裝
    • 源碼查看：objc4中的objc-sync.mm文件

    • @synchronized(obj)內(nèi)部會生成obj對應(yīng)的遞歸鎖，然后進(jìn)行加鎖、解鎖操作


      @synchronized是對mutex遞歸鎖的封裝

  • 5.12、iOS 線程同步方案性能比較(推薦使用下面的第3和第4)

    性能從高到低排序

    • os_unfair_lock ：從iOS10開始才支持(互斥鎖)
    • 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、自旋鎖、互斥鎖比較

    • 什么情況使用自旋鎖(占用CPU)比較劃算？
      • 預(yù)計線程等待鎖的時間很短
      • 加鎖的代碼（臨界區(qū)）經(jīng)常被調(diào)用，但競爭情況很少發(fā)生
      • CPU資源不緊張
      • 多核處理器
    • 什么情況使用互斥鎖比較劃算？
      • 預(yù)計線程等待鎖的時間較長
      • 單核處理器
      • 臨界區(qū)有IO操作（文件的讀寫操作）
      • 臨界區(qū)代碼復(fù)雜或者循環(huán)量大
      • 臨界區(qū)競爭非常激烈
六、iOS中的讀寫安全方案

  • 6.1、思考如何實現(xiàn)以下場景

    • 同一時間，只能有1個線程進(jìn)行寫的操作
    • 同一時間，允許有多個線程進(jìn)行讀的操作
    • 同一時間，不允許既有寫的操作，又有讀的操作

  • 6.2、上面的場景就是典型的“多讀單寫”，經(jīng)常用于文件等數(shù)據(jù)的讀寫操作，iOS中的實現(xiàn)方案有

    • pthread_rwlock：讀寫鎖
    • dispatch_barrier_async：異步柵欄調(diào)用

  • 6.3、pthread_rwlock：讀寫鎖(互斥鎖)
    等待鎖的線程會進(jìn)入休眠

    pthread_rwlock讀寫鎖(**互斥鎖**)

    • 具體的代碼：（具體的可以看demo里面的Pthread_rwlockViewController控制器里面的代碼）

    • 讀可以多條線程進(jìn)行

    • 在寫的時候沒有讀的操作 且 寫只能有一條線程進(jìn)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];
          });
    }
}

// 讀文件
-(void)read{

   // 讀可以多條線程進(jìn)行
   pthread_rwlock_rdlock(&_lock);

   sleep(1.0);

   NSLog(@"--讀--");

   pthread_rwlock_unlock(&_lock);

}

// 寫文件
-(void)write{

   // 在寫的時候沒有讀的操作 且 寫只能有一條線程進(jìn)行
   pthread_rwlock_wrlock(&_lock);

   sleep(1.0);

   NSLog(@"--寫--");

   pthread_rwlock_unlock(&_lock);

}
@end

  • 6.4、dispatch_barrier_async

    • 這個函數(shù)傳入的并發(fā)隊列必須是自己通過dispatch_queue_cretate創(chuàng)建的

    • 如果傳入的是一個串行或是一個全局的并發(fā)隊列，那這個函數(shù)便等同于dispatch_async函數(shù)的效果


      dispatch_barrier_async
    • 具體的代碼看demo里面Dispatch_barrier_asyncViewController控制器

  • 6.5、這是上面所有代碼的demo

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