iOS 多线程详解

进程

什么是进程

进程是指在系统中 正在运行 的一个应用程序

每个进程之间是 独立 的，每个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内



比如同时打开 QQ 、 Xcode ，系统就会分别启动 2 个进程

通过 “ 活动监视器 ” 可以查看 Mac 系统中所开启的进程

线程

什么是线程

1 个进程要想执行任务， 必须 得有线程（ 每 1 个进程至少要有 1 条线程 ）

线程是进程的基本执行单元 ，一个进程（程序）的所有任务都在线程中执行



比如使用酷狗播放音乐、使用迅雷下载电影，都需要在线程中执行

线程的串行

1 个线程中任务的执行是 串行 的

如果要在 1 个线程中执行多个任务，那么只能一个一个地按顺序执行这些任务

也就是说，在同一时间内， 1 个线程只能执行 1 个任务

比如在 1 个线程中下载 3 个文件（分别是文件 A 、文件 B 、文件 C ）



因此，也可以认为 线程是进程中的 1 条执行路径

多线程

什么是多线程

1 个进程中可以开启多条线程，每条线程可以 并行（同时） 执行不同的任务

进程  车间，线程  车间工人

多线程技术可以提高程序的执行效率

比如同时开启 3 条线程分别下载 3 个文件（分别是文件 A 、文件 B 、文件 C ）

多线程的原理

多线程的原理

同一时间， CPU 只能处理 1 条线程，只有 1 条线程在工作（执行）

多线程并发（同时）执行，其实是 CPU 快速地在多条线程之间 调度 （切换）

如果 CPU 调度线程的时间足够快，就造成了多线程并发执行的假象

思考：如果线程非常非常多，会发生什么情况？

CPU 会在 N 多线程之间调度， CPU 会累死，消耗大量的 CPU 资源

每条线程被调度执行的频次会降低（线程的执行效率降低）

多线程的优缺点

多线程的优点

能适当提高程序的执行效率
能适当提高资源利用率（ CPU 、内存利用率）

多线程的缺点

开启线程需要占用一定的内存空间（默认情况下，主线程占用 1M ，子线程占用512KB ），如果开启大量的线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
线程越多， CPU 在调度线程上的开销就越大
程序设计更加复杂：比如线程之间的通信、多线程的数据共享

多线程在 iOS 开发中的应用

什么是主线程

一个 iOS 程序运行后，默认会开启 1 条线程，称为 “ 主线程 ” 或 “UI 线程 ”

主线程的主要作用

显示 \ 刷新 UI 界面

处理 UI 事件（比如点击事件、滚动事件、拖拽事件等）

主线程的使用注意

别将比较耗时的操作放到主线程中

耗时操作会卡住主线程，严重影响 UI 的流畅度，给用户一种 “ 卡 ” 的坏体验

iOS 中多线程的实现方案

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	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

NSThread

创建和启动线程

一个 NSThread 对象就代表一条线程

创建、启动线程

1 NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
2 [thread start];
3 // 线程一启动，就会在线程thread中执行self的run方法

主线程相关用法

1 + (NSThread *)mainThread; // 获得主线程
2 - (BOOL)isMainThread; // 是否为主线程
3 + (BOOL)isMainThread; // 是否为主线程

其他用法

获得当前线程

1 NSThread *current = [NSThread currentThread];

线程的调度优先级

1 + (double)threadPriority;
2 + (BOOL)setThreadPriority:(double)p;
3 - (double)threadPriority;
4 - (BOOL)setThreadPriority:(double)p;

调度优先级的 取值范围是 0.0 ~ 1.0 ，默认 0.5 ，值越大，优先级越高

线程的名字

1 - (void)setName:(NSString *)n;
2 - (NSString *)name;

其他创建线程方式

创建线程后自动启动线程

1 [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

隐式创建并启动线程

1 [self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];

上述 2 种创建线程方式的优缺点

优点：简单快捷

缺点：无法对线程进行更详细的设置

线程的状态

1 NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
2 [thread start];

控制线程状态

启动线程

1 - (void)start;
2 // 进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态

阻塞（暂停）线程

1 (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
2 + (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
3 // 进入阻塞状态

强制停止线程

1 + (void)exit;
2 // 进入死亡状态

注意：一旦线程停止（死亡）了，就不能再次开启任务

多线程的安全隐患

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

安全隐患示例 01 – 存钱取钱

安全隐患示例 02 – 卖票

安全隐患分析

安全隐患解决 – 互斥锁

互斥锁使用格式

1 @synchronized(锁对象) { // 需要锁定的代码  }
2
3 注意：锁定1份代码只用1把锁，用多把锁是无效的

互斥锁的优缺点

优点：能有效防止因多线程抢夺资源造成的数据安全问题

缺点：需要消耗大量的 CPU 资源

互斥锁的使用前提：多条线程抢夺同一块资源

相关专业术语： 线程同步

线程同步的意思是：多条线程按顺序地执行任务

互斥锁，就是使用了线程同步技术

原子和非原子属性

OC 在定义属性时有 nonatomic 和 atomic 两种选择

atomic ：原子属性，为 setter 方法加锁（默认就是 atomic ）

nonatomic ：非原子属性，不会为 setter 方法加锁

atomic 加锁原理

1 @property (assign, atomic) int age;
2
3 - (void)setAge:(int)age
4
5 {
6
7     @synchronized(self) {
8
9         _age = age;
10
11     }
12
13 }

原子和非原子属性的选择

nonatomic 和 atomic 对比

atomic ：线程安全，需要消耗大量的资源

nonatomic ：非线程安全，适合内存小的移动设备

iOS 开发的建议

所有属性都声明为 nonatomic
尽量避免多线程抢夺同一块资源
尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力

线程间通信

什么叫做线程间通信

在 1 个进程中，线程往往不是孤立存在的，多个线程之间需要经常进行通信

线程间通信的体现

1 个线程传递数据给另 1 个线程

在 1 个线程中执行完特定任务后，转到另 1 个线程继续执行任务

线程间通信常用方法

1 - (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
2 - (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

线程间通信示例 – 图片下载

GCD

简介

什么是 GCD

全称是 Grand Central Dispatch ，可译为 “ 牛逼的中枢调度器 ”

纯 C 语言，提供了非常多强大的函数

GCD 的优势

GCD 是苹果公司为 多核 的 并行 运算提出的解决方案
GCD 会自动利用更多的 CPU 内核（比如双核、四核）
GCD 会自动管理线程的生命周期（创建线程、调度任务、销毁线程）
程序员只需要告诉 GCD 想要执行什么任务，不需要编写任何线程管理代码

GCD 中有 2 个核心概念

任务 ：执行什么操作
队列 ：用来存放任务

GCD 的使用就 2 个步骤

1、定制 任务

确定想做的事情

2、将 任务 添加到 队列 中

GCD 会自动将 队列 中的 任务 取出，放到对应的 线程 中执行

任务 的取出遵循 队列 的 FIFO 原则：先进先出，后进后出

执行任务

GCD 中有 2 个用来执行任务的函数

1、用 同步 的方式执行任务

dispatch_ sync ( dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

queue ：队列

block ：任务

2、用 异步 的方式执行任务

dispatch_ async ( dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

同步和异步的区别

同步 ：在当前线程中执行
异步 ：在另一条线程中执行

队列的类型

GCD 的队列可以分为 2 大类型

1、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

2、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）

容易混淆的术语

有 4 个术语比较容易混淆： 同步 、 异步 、 并发 、 串行

同步 和 异步 决定了要不要开启新的线程

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 决定了任务的执行方式

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

并发队列

GCD 默认已经提供了全局的并发队列，供整个应用使用，不需要手动创建

使用 dispatch_get_global_queue 函数获得全局的并发队列

1 dispatch_queue_t dispatch_get_global_queue(
2
3 dispatch_queue_priority_t priority, // 队列的优先级
4
5        unsigned long flags); // 此参数暂时无用，用0即可
6
7 dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0); // 获得全局并发队列

全局并发队列的优先级

1 #define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH 2 // 高
2
3 #define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT 0 // 默认（中）
4
5 #define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW (-2) // 低
6
7 #define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND INT16_MIN // 后台

串行队列

GCD 中获得串行有 2 种途径

使用 dispatch_queue_create 函数创建串行队列

1 dispatch_queue_t
2
3 dispatch_queue_create(const char *label, // 队列名称
4
5 dispatch_queue_attr_t attr); // 队列属性，一般用NULL即可
6
7 dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("cn.itcast.queue", NULL); // 创建
8
9 dispatch_release(queue); // 非ARC需要释放手动创建的队列

使用主队列（跟主线程相关联的队列）

主队列是 GCD 自带的一种特殊的串行队列

放在主队列中的任务，都会放到主线程中执行

使用 dispatch_get_main_queue() 获得主队列

1 dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();

各种队列的执行效果

线程间通信示例

从子线程回到主线程

1 dispatch_async(
2
3 dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
4
5     // 执行耗时的异步操作...
6
7       dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
8
9         // 回到主线程，执行UI刷新操作
10
11         });
12
13 });

延时执行

iOS 常见的延时执行有 2 种方式

调用 NSObject 的方法

1 [self performSelector:@selector(run) withObject:nil afterDelay:2.0];
2
3 // 2秒后再调用self的run方法

使用 GCD 函数

1 dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
2
3     // 2秒后异步执行这里的代码...
4
5 });

一次性代码

使用 dispatch_once 函数能保证某段代码在程序运行过程中只被执行 1 次

1 static dispatch_once_t onceToken;
2
3 dispatch_once(&onceToken, ^{
4
5     // 只执行1次的代码(这里面默认是线程安全的)
6
7 });

队列组

有这么 1 种需求

首先：分别异步执行 2 个耗时的操作

其次：等 2 个异步操作都执行完毕后，再回到主线程执行操作

如果想要快速高效地实现上述需求，可以考虑用队列组

1 dispatch_group_t group =  dispatch_group_create();
2
3 dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
4
5     // 执行1个耗时的异步操作
6
7 });
8
9 dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
10
11     // 执行1个耗时的异步操作
12
13 });
14
15 dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
16
17     // 等前面的异步操作都执行完毕后，回到主线程...
18
19 });

NSOperation

简介

NSOperation 的作用

配合使用 NSOperation 和 NSOperationQueue 也能实现多线程编程

NSOperation 和 NSOperationQueue 实现多线程的具体步骤

先将需要执行的操作封装到一个 NSOperation 对象中
然后将 NSOperation 对象添加到 NSOperationQueue 中
系统会自动将 NSOperationQueue 中的 NSOperation 取出来
将取出的 NSOperation 封装的操作放到一条新线程中执行

NSOperation 是个抽象类，并不具备封装操作的能力，必须使用它的子类

使用 NSOperation 子类的方式有 3 种

NSInvocationOperation
NSBlockOperation
自定义子类继承 NSOperation ，实现内部相应的方法

NSInvocationOperation

创建 NSInvocationOperation 对象

1 - (id)initWithTarget:(id)target selector:(SEL)sel object:(id)arg;

调用 start 方法开始执行操作

1 - (void)start;
2 一旦执行操作，就会调用target的sel方法

注意

默认情况下，调用了 start 方法后并不会开一条新线程去执行操作，而是在当前线程同步执行操作

只有将 NSOperation 放到一个 NSOperationQueue 中，才会异步执行操作

NSBlockOperation

创建 NSBlockOperation 对象

1 + (id)blockOperationWithBlock:(void (^)(void))block;

通过 addExecutionBlock: 方法添加更多的操作

1 - (void)addExecutionBlock:(void (^)(void))block;

注意：只要 NSBlockOperation 封装的操作数 > 1 ，就会异步执行操作

NSOperationQueue

NSOperationQueue 的作用

NSOperation 可以调用 start 方法来执行任务，但默认是同步执行的

如果将 NSOperation 添加到 NSOperationQueue （操作队列）中，系统会自动异步执行 NSOperation 中的操作

添加操作到 NSOperationQueue 中

1 - (void)addOperation:(NSOperation *)op;
2
3 - (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block;

最大并发数

什么是并发数

同时执行的任务数

比如，同时开 3 个线程执行 3 个任务，并发数就是 3

最大并发数的相关方法

1 - (NSInteger)maxConcurrentOperationCount;
2
3 - (void)setMaxConcurrentOperationCount:(NSInteger)cnt;

队列的取消、暂停、恢复

取消队列的所有操作

1 - (void)cancelAllOperations;

提示：也可以调用 NSOperation 的 - ( void )cancel 方法取消单个操作

暂停和恢复队列

1 - (void)setSuspended:(BOOL)b; // YES代表暂停队列，NO代表恢复队列
2
3 - (BOOL)isSuspended;

操作优先级

设置 NSOperation 在 queue 中的优先级，可以改变操作的执行优先级

1 - (NSOperationQueuePriority)queuePriority;
2
3 - (void)setQueuePriority:(NSOperationQueuePriority)p;

优先级的取值

1 NSOperationQueuePriorityVeryLow = -8L,
2
3 NSOperationQueuePriorityLow = -4L,
4
5 NSOperationQueuePriorityNormal = 0,
6
7 NSOperationQueuePriorityHigh = 4,
8
9 NSOperationQueuePriorityVeryHigh = 8

操作依赖

NSOperation 之间可以设置依赖来保证执行顺序

比如一定要让操作 A 执行完后，才能执行操作 B ，可以这么写

[operationB addDependency :operationA]; // 操作 B 依赖于操作 A

可以在不同 queue 的 NSOperation 之间创建依赖关系

操作的监听

可以监听一个操作的执行完毕

1 - (void (^)(void))completionBlock;
2 - (void)setCompletionBlock:(void (^)(void))block;

自定义 NSOperation

自定义 NSOperation 的步骤很简单

重写 - ( void )main 方法，在里面实现想执行的任务

重写 - ( void )main 方法的注意点

自己创建自动释放池（因为如果是异步操作，无法访问主线程的自动释放池）

经常通过 - ( BOOL )isCancelled 方法检测操作是否被取消，对取消做出响应

自定义 NSOperation 下载图片思路