最近結(jié)合《Objective-C 高級(jí)編程》和一些文章來深入了解下多線程相關(guān)內(nèi)容。

進(jìn)程

指的是一個(gè)正在運(yùn)行中的可執(zhí)行文件。每一個(gè)進(jìn)程都擁有獨(dú)立的虛擬內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源，包括端口權(quán)限等，且至少包含一個(gè)主線程和任意數(shù)量的輔助線程。另外，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的主線程退出時(shí)，這個(gè)進(jìn)程就結(jié)束了。

線程

一個(gè)CPU執(zhí)行的CPU命令列為一條無分叉路徑即為線程

我們都知道我們寫的OC/Swift源碼最后會(huì)被編譯器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的CPU命令列，然后程序啟動(dòng)后操作系統(tǒng)會(huì)將包含在程序中的CPU命令列配置到內(nèi)存中。然后會(huì)從應(yīng)用程序制定的地址開始一個(gè)一個(gè)的執(zhí)行命令。雖然在遇到諸如if語句、for語句等控制語句或者函數(shù)調(diào)用的情況下，執(zhí)行命令列會(huì)進(jìn)行位置遷移。但是由于一個(gè)CPU一次只能處理一個(gè)指令，因此依然可以把CPU命令列看成一條無分叉的路徑，其執(zhí)行不會(huì)出現(xiàn)分叉。
當(dāng)這種無分叉的路徑存在多條時(shí)就是“多線程”。

多線程

雖然CPU相關(guān)的技術(shù)不斷進(jìn)步，但是基本上一個(gè)CPU核一次能執(zhí)行的命令始終為1。這時(shí)候要在多條路徑中執(zhí)行CPU命令列就需要進(jìn)行“上下文切換”。

將執(zhí)行中的路徑的狀態(tài)，如CPU寄存器等信息保存到對(duì)應(yīng)路徑專用的內(nèi)存塊中，然后從將要切換到的目標(biāo)路徑對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中復(fù)原CPU寄存器等信息，繼續(xù)執(zhí)行切換路徑的CPU命令列。這就稱為“上下文切換”。

來個(gè)比喻來說，比如CPU是個(gè)學(xué)生，他需要做英語和數(shù)學(xué)兩種作業(yè)。但是我們讓CPU寫一會(huì)兒英語作業(yè)后寫一會(huì)兒數(shù)學(xué)作業(yè)，然后再寫一會(huì)兒英語作業(yè)。兩種作業(yè)快速切換就給人一種CPU在同時(shí)在寫英語和數(shù)學(xué)作業(yè)的感覺。

多線程的壞處

一般我們都覺得多線程多好啊，幾個(gè)線程一起執(zhí)行任務(wù)，這樣肯定會(huì)提高速度。但是從上面多線程的介紹來看并不是這樣。（你要是讓小明去一邊寫英語一邊寫數(shù)學(xué)，估計(jì)早就被打死了。。）當(dāng)在不同的線程中來回切換的時(shí)候會(huì)不停地備份、替換寄存器等信息，這明顯會(huì)耗費(fèi)性能。那多線程的用處是什么呢？這就要涉及幾個(gè)新的概念。

并發(fā)、并行、串行

圖片來自Erlang 之父 Joe Armstrong

Erlang 之父 Joe Armstrong 用一張圖解釋了并發(fā)與并行的區(qū)別。并發(fā)是兩隊(duì)交替使用一臺(tái)咖啡機(jī)，并行則是兩個(gè)隊(duì)列同時(shí)使用兩臺(tái)咖啡機(jī)。串行則是一個(gè)隊(duì)列使用一臺(tái)咖啡機(jī)。（更詳細(xì)的說明可以看看知乎這些回答）
多線程就是采用了并行的技術(shù)來同時(shí)處理不同的指令。而在我們的程序中通過主線程來繪制界面，響應(yīng)用戶交互事件。如果在這個(gè)線程上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的處理，就會(huì)阻塞主線程的執(zhí)行，妨礙主線程中Runloop的住循環(huán)，這樣就不能及時(shí)更新界面，響應(yīng)用戶的交互，這就給用戶卡頓的感覺。而使用多線程就能解決這個(gè)問題，給用戶“快”的感覺。所以多線程所謂能提高速度指的就是這個(gè)意思。

同步、異步

同步就是我們平常寫的那些代碼。它會(huì)一行接一行的執(zhí)行，每一行都可以看成是一個(gè)任務(wù)，一個(gè)任務(wù)沒執(zhí)行完就不會(huì)執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。異步就是允許執(zhí)行一行的時(shí)候函數(shù)直接返回，真正要執(zhí)行的任務(wù)稍后完成。
對(duì)于同步執(zhí)行的任務(wù)來說系統(tǒng)傾向于在同一個(gè)線程中執(zhí)行。這是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候就算開了其他線程系統(tǒng)也要等他們?cè)诟髯跃€程中全執(zhí)行完成，這樣以來又增加了線程切換時(shí)的性能，得不償失。
對(duì)于異步執(zhí)行的任務(wù)來說系統(tǒng)傾向于在多個(gè)線程中執(zhí)行，這樣就可以更好的利用CPU性能，縮短完成任務(wù)的時(shí)間，提高效率。

隊(duì)列、線程

這兩個(gè)概念經(jīng)常被混淆，其實(shí)這兩個(gè)是不同層級(jí)的概念。隊(duì)列是為了方便使用和理解的抽象結(jié)構(gòu)，線程則是系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的單位。系統(tǒng)利用隊(duì)列來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，它會(huì)根據(jù)調(diào)度任務(wù)的需要和系統(tǒng)的負(fù)載等情況動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建和銷毀線程。并行隊(duì)列可能對(duì)應(yīng)多個(gè)線程。串行隊(duì)列則每次對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，這個(gè)線程可能不變，可能會(huì)被更換。
蘋果官方對(duì)GCD的說明

Grand Central Dispatch是異步執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)之一。開發(fā)者要做的只是定義想要執(zhí)行的任務(wù)并追加到適當(dāng)?shù)腝ueue中，GCD就能生成必要的線程并計(jì)劃計(jì)劃任務(wù)。

可以看出我們需要注意的兩點(diǎn)就是Queue和添加任務(wù)到Queue，在GCD中對(duì)應(yīng)的就是Dispatch_Queue（隊(duì)列）和dispatch_async、dispatch_sync（ 執(zhí)行方式）。

隊(duì)列

串行隊(duì)列（Serial Dispatch Queue）遵循先進(jìn)先出規(guī)則，每一個(gè)任務(wù)都會(huì)等待它上個(gè)任務(wù)處理完成后執(zhí)行，因此每次只執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。主隊(duì)列是一種特殊的串行隊(duì)列。是在主線程中執(zhí)行的隊(duì)列。
并行隊(duì)列（Concurrent Dispatch Queue）依然遵循先進(jìn)先出，不過每個(gè)任務(wù)不會(huì)等其他任務(wù)處理結(jié)束后再執(zhí)行，而是在其他任務(wù)開始執(zhí)行后就開始執(zhí)行，這樣就實(shí)現(xiàn)的多個(gè)任務(wù)并行。

舉個(gè)例子：現(xiàn)在有三個(gè)任務(wù)blk1，blk2，blk3。
在串行隊(duì)列里會(huì)先執(zhí)行blk1，等blk1執(zhí)行完之后執(zhí)行blk2，然后等blk2結(jié)束后再執(zhí)行blk3。
在并行隊(duì)列里會(huì)先執(zhí)行blk1，不用等blk1的處理結(jié)束就開始執(zhí)行blk2，這時(shí)候也不用等待blk1，blk2的執(zhí)行結(jié)束直接執(zhí)行blk3。

// 串行隊(duì)列的創(chuàng)建
dispatch_queue_t serial = dispatch_queue_create("com.zhouke.serial", NULL);
// 獲取主隊(duì)列（這是個(gè)串行隊(duì)列）
dispatch_queue_t mainSerial = dispatch_get_main_queue();

// 創(chuàng)建并行隊(duì)列
dispatch_queue_t concurrentCreated = dispatch_queue_create("com.zhouke.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 獲取默認(rèn)優(yōu)先級(jí)的并行隊(duì)列
dispatch_queue_t concurrentGet = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

執(zhí)行方式

同步執(zhí)行（dispatch_sync）這個(gè)函數(shù)就是把指定的block同步添加到指定的隊(duì)列中，在這個(gè)block執(zhí)行結(jié)束之前，函數(shù)會(huì)一直等待。（了解這個(gè)死鎖就很容易理解了）
異步執(zhí)行（dispatch_sync）這個(gè)函數(shù)會(huì)將指定的block非同步的添加到指定隊(duì)列中，函數(shù)不做等待。
一般來說同步方法會(huì)在當(dāng)前線程執(zhí)行，異步方法會(huì)開啟新的線程。但是對(duì)于主隊(duì)列來說就有點(diǎn)特殊了。在主隊(duì)列執(zhí)行同步方法會(huì)產(chǎn)生死鎖，執(zhí)行異步方法不會(huì)開啟新的線程，依然在主線程執(zhí)行。

線程的開辟

• (串行/并行)隊(duì)列決定任務(wù)是否在當(dāng)前線程(注意不是隊(duì)列)執(zhí)行。
• (同步/異步)任務(wù)決定任務(wù)立即執(zhí)行(阻塞線程)還是添加到隊(duì)列末尾(不阻塞線程)。

由上可知會(huì)開辟新線程的兩種情況：

• 并行隊(duì)列+異步任務(wù) = 多條新線程
• 串行隊(duì)列+異步任務(wù) = 一條新線程

其余的情況下都不會(huì)開辟線程。

死鎖

如果向當(dāng)前串行隊(duì)列同步派發(fā)任務(wù)就會(huì)產(chǎn)生死鎖

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    NSLog(@"1.%@", [NSThread currentThread]);
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_sync(queue, ^{
        NSLog(@"2.%@", [NSThread currentThread]);
    });
}

這段代碼就會(huì)會(huì)造成死鎖。我們可以把dispatch_sync這個(gè)函數(shù)當(dāng)做一個(gè)任務(wù)A，block里包裝的是另一個(gè)任務(wù)B。然后我們可以看到A處于主隊(duì)列中，這時(shí)同步添加任務(wù)B到主隊(duì)列中。任務(wù)A會(huì)等待B任務(wù)完成，但是由于當(dāng)前主隊(duì)列是串行隊(duì)列，這個(gè)新增的B任務(wù)要等到A任務(wù)執(zhí)行完才能執(zhí)行，這樣就造成了兩個(gè)任務(wù)互相等待，導(dǎo)致死鎖。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    NSLog(@"1.%@", [NSThread currentThread]);
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.xxx.xxx", NULL);
    dispatch_sync(queue, ^{
        NSLog(@"2.%@", [NSThread currentThread]);
    });
}

上面這段代碼就不會(huì)照成死鎖，這是因?yàn)閐ispatch_sync這個(gè)函數(shù)處于主隊(duì)列中,但是block包裝的任務(wù)處于queue這個(gè)串行隊(duì)列中，兩者在不同的串行隊(duì)列，因此不會(huì)死鎖。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"1.%@", [NSThread currentThread]);
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.xxx.xxx", NULL);
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"2.%@", [NSThread currentThread]);
        dispatch_sync(queue, ^{
            NSLog(@"3.%@", [NSThread currentThread]);
        });
    });
}

這段代碼依然會(huì)死鎖，原因跟第一段代碼一樣。dispatch_async函數(shù)可以看成是把block里的任務(wù)放到queue中執(zhí)行，這時(shí)dispatch_sync處于queue這個(gè)隊(duì)列中，它的block包裝的任務(wù)依然處于queue隊(duì)列中，因此會(huì)死鎖。

dispatch_group

在串行隊(duì)列中如果想在全部任務(wù)結(jié)束后再做些操作是很好處理的，但是對(duì)于并行隊(duì)列就不一樣了，這時(shí)候我們就需要使用Dispatch Group.

    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)1執(zhí)行");
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)2執(zhí)行");
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任務(wù)3執(zhí)行");
    });
    
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"全部執(zhí)行完成");
    });

這段代碼中全部執(zhí)行完成這個(gè)任務(wù)就會(huì)在任務(wù)1、2、3全部執(zhí)行后調(diào)用。

dispatch_barrier_async

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)更新資源的時(shí)候會(huì)造成數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，這時(shí)候我們需要使用dispatch_barrier_async。
比如我們經(jīng)常會(huì)碰到的一個(gè)問題，atomic修飾的屬性一定是安全的嗎？
答案是否定的，atomic只保證了針對(duì)這個(gè)屬性的成員變量的讀寫的原子性，而在同一線程中多次獲取屬性時(shí)，每次獲取的結(jié)果卻未必相同，因?yàn)閮纱潍@取操作之間其他線程可能會(huì)寫入新值。使用串行隊(duì)列可以解決這個(gè)問題,將所有的讀取寫入操作都放到串行隊(duì)列中，這樣就能保證線程安全了。更好的更高性能的解決辦法就是利用 dispatch_barrier_async

_queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

- (NSString *)name
{
    __block NSString *localString;
    dispatch_sync(_queue, ^{
        localString = _name;
    });
    return localString;
}

- (void)setName:(NSString *)name
{
    dispatch_barrier_async(_queue, ^{
        _name = name;
    });
}

當(dāng)上面的執(zhí)行時(shí)屬性的讀取操作并發(fā)執(zhí)行，而寫入操作必須單獨(dú)執(zhí)行。

需要注意的是如果我們調(diào)用dispatch_barrier_async時(shí)提交到一個(gè)global queue，barrier blocks執(zhí)行效果與dispatch_async()一致；只有將Barrier blocks提交到使用DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT屬性創(chuàng)建的并行queue時(shí)它才會(huì)表現(xiàn)的如同預(yù)期。

dispatch_semaphore

dispatch_barrier_async能在任務(wù)這種粒度上來防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)我們需要更細(xì)粒度控制的時(shí)候就需要使用dispatch_semaphore。

首先介紹一下信號(hào)量(semaphore)的概念。信號(hào)量是持有計(jì)數(shù)的信號(hào)，不過這么解釋等于沒解釋。我們舉個(gè)生活中的例子來看看。

假設(shè)有一個(gè)房子，它對(duì)應(yīng)進(jìn)程的概念，房子里的人就對(duì)應(yīng)著線程。一個(gè)進(jìn)程可以包括多個(gè)線程。這個(gè)房子(進(jìn)程)有很多資源，比如花園、客廳等，是所有人(線程)共享的。

但是有些地方，比如臥室，最多只有兩個(gè)人能進(jìn)去睡覺。怎么辦呢，在臥室門口掛上兩把鑰匙。進(jìn)去的人(線程)拿著鑰匙進(jìn)去，沒有鑰匙就不能進(jìn)去，出來的時(shí)候把鑰匙放回門口。

這時(shí)候，門口的鑰匙數(shù)量就稱為信號(hào)量(Semaphore)。很明顯，信號(hào)量為0時(shí)需要等待，信號(hào)量不為零時(shí)，減去1而且不等待。

    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    /*
     *  生成dispatch_semaphore，其初始值設(shè)置為1
     *  保證訪問array的線程在同一時(shí)間只有一個(gè)
     */
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
    
    NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
    
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        dispatch_async(queue, ^{
            /*
             某個(gè)線程執(zhí)行到這里，如果信號(hào)量值為1，那么wait方法返回1，開始執(zhí)行接下來的操作。
             與此同時(shí)，因?yàn)樾盘?hào)量變?yōu)?，其它執(zhí)行到這里的線程都必須等待  
             */
            dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
            /*
             執(zhí)行了wait方法后，信號(hào)量的值變成了0?？梢赃M(jìn)行接下來的操作。
             這時(shí)候其它線程都得等待wait方法返回。
             可以對(duì)array修改的線程在任意時(shí)刻都只有一個(gè)，可以安全的修改array
             */
            [array addObject:[NSNumber numberWithInt:i]];
            /*
             排他操作執(zhí)行結(jié)束，記得要調(diào)用signal方法，把信號(hào)量的值加1。
             這樣，如果有別的線程在等待wait函數(shù)返回，就由最先等待的線程執(zhí)行。
             */
            dispatch_semaphore_signal(semaphore);
        });
    }

具體使用的例子
1、控制并發(fā)數(shù)

// 創(chuàng)建隊(duì)列組
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();   
// 創(chuàng)建信號(hào)量，并且設(shè)置值為10
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(10);   
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);   
    for (int i = 0; i < 100; i++)   
    {   // 由于是異步執(zhí)行的，所以每次循環(huán)Block里面的dispatch_semaphore_signal根本還沒有執(zhí)行就會(huì)執(zhí)行dispatch_semaphore_wait，從而semaphore-1.當(dāng)循環(huán)10此后，semaphore等于0，則會(huì)阻塞線程，直到執(zhí)行了Block的dispatch_semaphore_signal 才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);   
        dispatch_group_async(group, queue, ^{   
            NSLog(@"%i",i);   
            sleep(2);   
// 每次發(fā)送信號(hào)則semaphore會(huì)+1，
            dispatch_semaphore_signal(semaphore);   
        });   
    }

2、限制請(qǐng)求頻次
每次請(qǐng)求發(fā)出后由于信號(hào)量0則其他線程必須等待，只有等請(qǐng)求返回成功或者失敗后信號(hào)量設(shè)為1，這時(shí)候才能繼續(xù)其他的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。

- (void)request1{
    //創(chuàng)建信號(hào)量并設(shè)置計(jì)數(shù)默認(rèn)為0
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
    AFHTTPSessionManager *manager = [AFHTTPSessionManager manager];
    manager.responseSerializer = [AFJSONResponseSerializer serializer];
    NSString *url = [NSString stringWithFormat:@"%s","http://v3.wufazhuce.com:8000/api/channel/movie/more/0?platform=ios&version=v4.0.1"];
    [manager GET:url parameters:nil progress:^(NSProgress * _Nonnull uploadProgress) {
        
    } success:^(NSURLSessionDataTask * _Nonnull task, id  _Nullable responseObject) {
        NSArray *data = responseObject[@"data"];
        for (NSDictionary *dic in data) {
            NSLog(@"請(qǐng)求1---%@",dic[@"id"]);
        }
        //計(jì)數(shù)加1
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
        //11380-- data.lastObject[@"id"];
    } failure:^(NSURLSessionDataTask * _Nullable task, NSError * _Nonnull error) {
        NSLog(@"shibai...");
        //計(jì)數(shù)加1
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    }];
    //若計(jì)數(shù)為0則一直等待
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
}

參考資料

1、《Objective-C高級(jí)編程 iOS與OS X多線程和內(nèi)存管理》
2、《Effective Objective-C 2.0 編寫高質(zhì)量iOS與OS X代碼的52個(gè)有效方法》
2、 iOS多線程編程總結(jié)
3、http://www.itdecent.cn/p/96b93aa05bcd