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一或粮、 線程和進程

1.1 線程的定義

• 線程是進程的基本執(zhí)行單元塔淤，一個進程的所有任務倒在線程中執(zhí)行
• 進程要想執(zhí)行任務，必須得有線程针史，進程至少要有一條線程
• 程序啟動會默認開啟一條線程贡定，這條線程被稱為主線程或 UI 線程

1.2 進程的定義

• 進程是指在系統(tǒng)中正在運行的一個應用程序
• 每個進程之間是獨立的赋访，每個進程均運行在其專用的且受保護的內存

1.3 iOS開發(fā)為什么是單進程的

• 沙盒-單進程數據更加隱私、安全
• 進程切換缓待，消耗資源大

1.4 線程和隊列的關系

• 線程和隊列是兩個完全獨立的概念蚓耽，線程是由系統(tǒng)分配、系統(tǒng)調度旋炒，隊列是用來管理任務步悠，開發(fā)者可以管理任務的串行、并行瘫镇、優(yōu)先級鼎兽、先后順序；
• 開發(fā)者管理任務隊列铣除，系統(tǒng)根據隊列的屬性谚咬，來給隊列中的任務分配線程；
• 隊列是提供給開發(fā)者使用的抽象概念通孽，線程是由系統(tǒng)調度的真實對象序宦，開發(fā)者可以通過管理隊列來指定系統(tǒng)分配、調度線程的數量背苦、順序等互捌。

- 任務執(zhí)行速度：CPU、線程行剂、隊列秕噪、任務的復雜度、任務的優(yōu)先級
- 大量的臨時變量：使用 autorealease 處理

1.5 線程和進程的關系和區(qū)別

• 地址空間：同一進程的線程共享本進程的地址空間厚宰，而進程之間則是獨立的地址空間
• 資源擁有：同一進程內的線程共享進程的資源腌巾，如內存遂填、I/O、cpu等澈蝙，但是進程之間的資源是獨立的
• 健壯性：一個進程崩潰后吓坚，在保護模式下不會對其他進程產生影響，但是一個線程崩潰整個進程都會死掉灯荧。多以多進程要比多線程健壯
• 并發(fā)操作：進程切換時礁击，消耗的資源大，效率高逗载。所以涉及到頻繁的切換時哆窿，使用線程要好于進程。同樣如果要求同時進行并且又要共享某些變量的并發(fā)操作厉斟，只能使用線程不能用進程
• 執(zhí)行過程：每個獨立的進程有一個程序運行的入口挚躯、順序執(zhí)行序列和程序入口。但是線程不能獨立執(zhí)行擦秽，必須依存于應用程序中码荔，由應用程序提供多個線程執(zhí)行控制
• 調度單位：線程是處理器調度的基本單位，但進程不是

1.6 進程和線程與堆和棧的關系

• 進程的地址空間
  每個進程的地址空間是獨立的号涯，是操作系統(tǒng)把物理內存映射到進程的虛擬地址上目胡。
  進程只能訪問自己的地址空間锯七，不能訪問別的進程的地址空間链快。
  通俗的理解：如果有a.exe和b.exe同時在系統(tǒng)中運行，那么a和b都可以有0x00000000-0xffffffff的虛擬地址空間（不考慮操作系統(tǒng)占用等因素）眉尸。
  假如a b都有1個變量在地址 0x12345678處域蜗，看起來地址一樣，實際上在物理內存中不是一個地方噪猾。
• 進程是線程的容器霉祸，windows調度運行的單位是線程，一個進程至少有1個主線程袱蜡。一個進程內所有的線程都處于同一個虛擬地址空間丝蹭。
• 進程初始化的時候，系統(tǒng)會在進程的地址空間中創(chuàng)建一個堆坪蚁，叫進程默認堆奔穿。進程中所有的線程共用這一個堆。當然敏晤，可以增加1個或幾個堆贱田，給不同的線程共同使用或單獨使用。
• 創(chuàng)建線程的時候嘴脾，系統(tǒng)會在進程的地址空間中分配1塊內存給線程棧男摧，通常是1MB。線程棧是獨立的，不共享耗拓。iOS中是512KB

1.7 補充內存相關知識

• 內存五大分區(qū)
  1拇颅、棧區(qū)（stack）：由編譯器自動分配釋放，存放函數的參數值乔询，局部變量的值等蔬蕊。其操作方式類似于數據結構中的棧。
  2哥谷、堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放岸夯，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收们妥。注意它與數據結構中的堆是兩回事猜扮，分配方式類似于鏈表。new出來的放在這里监婶。
  3旅赢、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）：（static）全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域惑惶，未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域煮盼。程序結束后由系統(tǒng)釋放。
  4带污、文字常量區(qū)：常量字符串就是放在這里的僵控。程序結束后由系統(tǒng)釋放
  5、程序代碼區(qū)：存放函數體的二進制代碼鱼冀。

• 棧和堆的區(qū)別

  • 管理方式不同报破。棧由操作系統(tǒng)自動分配釋放，無需我們手動控制千绪；堆的申請和釋放工作由程序員控制充易，容易產生內存泄漏；
  • 空間大小不同荸型。每個進程擁有的棧的大小要遠遠小于堆的大小盹靴。理論上，程序員可申請的堆大小為虛擬內存的大小瑞妇，進程棧的大小64bits的Windows默認1MB稿静，64bits的Linux默認10MB；
  • 生長方向不同踪宠。堆的生長方向向上自赔，內存地址由低到高；棧的生長方向向下柳琢，內存地址由高到低绍妨。
  • 分配方式不同润脸。
    堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆他去。
    棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配毙驯。靜態(tài)分配是由操作系統(tǒng)完成的，比如局部變量的分配灾测。
    棧的動態(tài)分配由alloca函數進行分配爆价，但是棧的動態(tài)分配和堆是不同的，棧的動態(tài)分配是由操作系統(tǒng)進行釋放媳搪，無需我們手工實現铭段。
  • 分配效率不同。
    棧由操作系統(tǒng)自動分配秦爆，會在硬件層級對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址序愚，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高等限。
    堆則是由C/C++提供的庫函數或運算符來完成申請與管理爸吮，實現機制較為復雜，頻繁的內存申請容易產生內存碎片望门。顯然形娇，堆的效率比棧要低得多。

二筹误、 多線程

2.1 多線程的意義

• 優(yōu)點
  • 能適當提高程序的執(zhí)行效率
  • 能適當提高資源的利用率（CPU桐早、內存）
  • 線程上的任務執(zhí)行完成后，線程會自動銷毀
• 缺點
  • 開啟線程需要占用一定的內存空阿金（默認情況下纫事，每一個線程都占 512 KB）
  • 如果開啟大量的線程勘畔，會占用大量的內存空間所灸，降低程序的性能
  • 線程越多丽惶，CPU 在調用線程上的開銷就越大
  • 程序設計更加復雜，比如線程間的通信爬立、多線程的數據共享

2.2 多線程的原理

CPU 在單位時間片里快速在各個線程之間切換

• 單線程
  單核 CPU

  單線程
      任務1
      任務2
      任務3
  

  • 其本質也是單線程钾唬，一次只能執(zhí)行一個任務
  • 單核 CPU的多線程是通過 任務1執(zhí)行一部分再執(zhí)行任務2再切換任務3，這種方式達到多線程的效果
  • 不停切換侠驯、時間片抡秆、共贏、達到利益最大化

• 多線程
  多核 CPU

  線程1
      任務1
  線程2
      任務2
  線程3
      任務3
  

2.3 多線程技術方案

• 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

• NSThread

  • 使用更加面向對象
  • 簡單易用吟策，可直接操作線程對象

• GCD

  • 旨在替代 NSTread 等線程技術
  • 充分利用設備的多核

• NSOperation

  • 基于GCD（底層是GCD）
  • 比 GCD 多了一些更簡單使用的功能
  • 使用更加面向對象

三儒士、線程、線程池檩坚、生命周期着撩、安全诅福、通訊、runloop

3.1 線程的生命周期

• 新建：Start拖叙，創(chuàng)建線程氓润，調用start進入就緒狀態(tài)

• 就緒：Runnable，CPU調度當前線程薯鳍，進入運行狀態(tài)

• 運行：Running咖气，任務執(zhí)行完畢，退出線程并銷毀挖滤，CPU調度當前線程

• 阻塞：Blocked崩溪，調用 sleep方法/等待同步鎖/從可調度線程池移出

• 死亡：Dead，任務執(zhí)行完成斩松、強制退出

• 可調度線程池

  • 當前線程
  • 其他線程
  • CPU調度的線程是從線程池中獲取

• 正常流程和堵塞流程

  • 正常流程：新建->就緒->運行->死亡
  • 堵塞流程：新建->就緒->運行->堵塞->就緒->...->堵塞
    
    image.png

3.2 線程池的原理

• 參數解釋
  • corePoolSize：線程池的基本大忻踔邸（核心線程池大小）
  • maxinumPoolSize：線程池的最大大小
  • keepAliveTime：線程池中超過corePoolSize數目的空閑線程的最大存活時間
  • unit：keepAliveTime參數的時間單位
  • workQueue：任務阻塞隊列
  • threadFactory：新建線程的工廠
  • handler：當提交的任務數超過maxnumPoolSize與workQueue之和時砸民，任務會交給RejectedExecutionHandler來處理
• 【原理】線程池大小小于核心線程池大小
  • 創(chuàng)建線程執(zhí)行任務抵怎，流程和線程的生命周期一樣
• 【原理】線程池大小不小于核心線程池大小
  • 線程池判斷工作隊列未滿
    將任務push進隊列
  • 線程池判斷工作隊列已滿
    • 且 maxinumPoolSize>corePoolSize，將創(chuàng)建新的線程來執(zhí)行任務
    • 交給報策略去處理
      1. Abort策略：默認策略岭参，新任務提交時直接拋出未檢查的異常 RejectedExecution反惕，該異常可由調用者捕獲
      2. CallerRuns策略：為調節(jié)機制演侯，既不拋棄任務也不拋出異常姿染，而是將某些任務會退到調用者。不會在線程池的線程中執(zhí)行新的任務秒际，而是在調用exector的線程中運行新的任務
      3. Discard策略：新提交的任務被拋棄悬赏。
      4. DiscardOldest策略：隊列的是“對頭”的任務，然后嘗試提交新的任務娄徊。（不適合工作隊列為優(yōu)先隊列場景）

3.3 線程和runloop的關系

• runloop與線程的對應關系
  • runloop與線程是一一對應的闽颇，一個runloop對應一個核心的線程；
  • 為什么說是核心的寄锐？因為runloop是可以嵌套的兵多，但是核心的只能有一個，他們的關系保存在一個全局的字典里橄仆；
• runloop是來管理線程的剩膘，當線程的runloop被開啟后，線程會在執(zhí)行完成后進入休眠狀態(tài)盆顾，有了任務就會被喚醒去執(zhí)行任務怠褐。
• runloop在第一次或失去時被創(chuàng)建，在線程結束時被銷毀您宪。
• 對于主線程來說奈懒，runloop在程序一啟動就默認創(chuàng)建好了具温。
• 對于子線程來說，runloop是懶加載的筐赔，只有當我們使用的時候才會創(chuàng)建铣猩，所以在子線程用定時器要注意：確保子線程的runloop被創(chuàng)建，不然定時器不會回調茴丰。

3.4 線程安全和線程通訊

• atomic與nonatomic的區(qū)別

  • 屬性定義
    • nonatomic：非原子屬性达皿，適合內存小的移動設備
    • atomic：原子屬性（線程安全），針對多線程設計贿肩，默認值峦椰，需要消耗大量的資源。atomic只保證了寫安全汰规，但對于可變數組這類容器中的元素的讀寫安全并不能保證汤功。
  • 線程安全解釋
    • 保證同一時間只有一個線程能夠寫入
    • atomic本身就有一把鎖（自旋鎖）
    • 單寫多讀：單個線程寫入，多個線程可以讀取
  • iOS開發(fā)的建議
    • 所有屬性都聲明為 nonatomic
    • 盡量避免多線程搶奪一塊資源
    • 盡量將加鎖溜哮、資源搶奪的業(yè)務邏輯交給服務器端處理滔金，減小移動客戶端的壓力

• 互斥鎖小結

  • 保證鎖內的代碼，同一時間茂嗓，只有一條線程能夠執(zhí)行
  • 互斥鎖的鎖定范圍餐茵，應該盡量小，鎖定范圍越大述吸，效率越差
  • 互斥鎖參數
    • 能夠加鎖的任意 NSObject 對象
    • 注意：鎖對象一定要保證所有的線程都能夠訪問
    • 如果代碼中只有一個地方需要加鎖忿族，大多都使用 self，這樣可以避免單獨再創(chuàng)建一個鎖對象

四蝌矛、iOS中常用多線程技術

4.1 pthread

pthread_create 創(chuàng)建線程

• 參數：

  1. pthread_t：要創(chuàng)建線程的結構體指針道批，通常開發(fā)的時候，如果遇到 C 語言的結構體入撒，類型后綴 _t / Ref 結尾
     同時不需要 *
  2. 線程的屬性隆豹，nil(空對象 - OC 使用的) / NULL(空地址，C 使用的)
  3. 線程要執(zhí)行的函數地址
void *: 返回類型衅金，表示指向任意對象的指針噪伊，和 OC 中的 id 類似
     (*): 函數名
     (void *): 參數類型，void *
  4. 傳遞給第三個參數(函數)的參數
     • 返回值：C 語言框架中非常常見
       int
       0 創(chuàng)建線程成功氮唯！成功只有一種可能
       非 0 創(chuàng)建線程失敗的錯誤碼，失敗有多種可能姨伟！

      // 1: pthread
      pthread_t threadId = NULL;
      //c字符串
      char *cString = "HelloCode";
  
      int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
      if (result == 0) {
          NSLog(@"成功");
      } else {
          NSLog(@"失敗");
      }
  

      void *pthreadTest(void *para){
          // 接 C 語言的字符串
          //    NSLog(@"===> %@ %s", [NSThread currentThread], para);
          // __bridge 將 C 語言的類型橋接到 OC 的類型
          NSString *name = (__bridge NSString *)(para);
          
          NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);
          
          return NULL;
      }
  

4.2 NSThread

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

/**
 1. 循環(huán)的執(zhí)行速度很快
 2. 棧區(qū)／常量區(qū)的內存操作也挺快
 3. 堆區(qū)的內存操作有點慢
 4. I(Input輸入) / O(Output 輸出) 操作的速度是最慢的惩琉！
 * 會嚴重的造成界面的卡頓，影響用戶體驗夺荒！
 * 多線程：開啟一條線程瞒渠，將耗時的操作放在新的線程中執(zhí)行
 */
- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSInteger count = 1000 * 100;
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 棧區(qū)
        NSInteger num = I;
        // 常量區(qū)
        NSString *name = @"zhang";
        // 堆區(qū)
        NSString *myName = [NSString stringWithFormat:@"%@ - %zd", name, num];
        NSLog(@"%@", myName);
    }
    NSLog(@"over");
}

4.3 GCD

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});

4.4 NSOperation

[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];