Multi Threading 多线程

进程、线程与队列

1.进程的定义

• 进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，如微信、支付宝app都是一个进程
• 每个进程之间是独立的，每个进程均运行在专用的且受保护的内存

2.线程的定义

• 线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行
• 进程想要执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程
• 程序启动会默认开启一条线程，这条线程被成为主线程或UI线程

3.进程与线程的关系和区别

• 地址空间：同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间
• 资源拥有：同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等，但是进程之间的资源是独立的
• 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉，所以多进程要比多线程健壮
• 进程切换时，消耗的资源大、效率高。所以设计到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程而不能用进程
• 执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制
• 线程是处理器调度的基本单位，但进程不是

4.进程与线程的关系图

5.队列的定义

队列，又称为伫列（queue），是先进先出（FIFO： First-In-First-Out）的线性表，在具体应用中通常用链表或者数组来实现。装载线程任务的队形结构。队列只允许在后端（称为rear）进行插入操作，在前端（称为front）进行删除操作。队列的操作方式和堆栈类似，唯一的区别在于队列只允许新数据在后端进行添加

6.队列和线程的关系

两者是没有关系的，可以这么理解：

• 队列负责调度任务，线程执行任务
• 在银行（进程）中，有4个工作窗口（线程），而只有一条队伍（队列）
• 窗口（线程）只负责为排队的人办理业务，并不会管队伍（队列）是怎么排的

7.线程和runloop的关系

• runloop与线程是一一对应的——一个runloop对应一个核心的线程，为什么说是核心的，是因为runloop是可以嵌套的，但是核心的只能有一个，他们的关系保存在一个全局的字典里
• runloop是来管理线程的——当线程的runloop被开启后，线程会在执行完任务后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务
• runloop 在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁
  • 对于主线程来说，runloop在程序一启动就默认创建好了
  • 对于子线程来说，runloop是懒加载的——只有当我们使用的时候才会创建，所以在子线程用定时器要注意：确保子线程的runloop被创建，不然定时器不会回调

8.影响任务执行速度的因素

以下因素都会对任务的执行速度造成影响：

• cpu的调度
• 线程的执行速率
• 队列情况
• 任务执行的复杂度
• 任务的优先级

多线程

1.多线程原理

• 同一时间，CPU只能处理一条线程，只有一条线程在工作（执行）
• 多线程并发（同时）执行，其实就是CPU执行快速地在多条线程之间调度（切换）

2.多线程意义

• 优点
  • 能适当提高程序的执行效率
  • 能适当提高资源的利用率（CPU、内存）
  • 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁
• 缺点
  • 开启线程需要占用一定的内存空间（默认情况下，每一个线程都占512KB，创建线程大约需要90毫秒的创建时间）
  • 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在调用线程上的开销就越大
  • 程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享

2.多线程生命周期

多线程的生命周期是：新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡

• 新建：实例化线程对象
• 就绪：向线程对象发送start消息，线程对象被加入可调度线程池等待CPU调度。
• 运行：CPU 负责调度可调度线程池中线程的执行。线程执行完成之前，状态可能会在就绪和运行之间来回切换。就绪和运行之间的状态变化由CPU负责，程序员不能干预。
• 阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用休眠或锁，阻塞线程执行。sleepForTimeInterval（休眠指定时长），sleepUntilDate（休眠到指定日期），@synchronized(self)：（互斥锁）。
• 死亡：正常死亡，线程执行完毕。非正常死亡，当满足某个条件后，在线程内部中止执行/在主线程中止线程对象

4.线程池的原理

• 若线程池大小小于核心线程池大小时
  • 创建线程执行任务
• 若线程池大小大于等于核心线程池大小时
  1. 先判断线程池工作队列是否已满
  2. 若没满就将任务push进队列
  3. 若已满时，且maximumPoolSize>corePoolSize，将创建新的线程来执行任务
  4. 反之则交给饱和策略去处理

饱和策略有如下四个：

• AbortPolicy直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
• CallerRunsPolicy将任务回退到调用者
• DisOldestPolicy丢掉等待最久的任务
• DisCardPolicy直接丢弃任务

4.多线程实现方案

5.GCD和NSOperation的区别

• GCD仅仅支持FIFO队列，不支持异步操作之间的依赖关系设置。而NSOperation中的队列可以被重新设置优先级，从而实现不同操作的执行顺序调整
• NSOperation支持KVO，可以观察任务的执行状态
• GCD更接近底层，GCD在追求性能的底层操作来说，是速度最快的
• 从异步操作之间的事务性，顺序行，依赖关系。GCD需要自己写更多的代码来实现，而NSOperation已经内建了这些支持
• 如果异步操作的过程需要更多的被交互和UI呈现出来，NSOperation更好；底层代码中，任务之间不太互相依赖，而需要更高的并发能力，GCD则更有优势

6.线程间通讯

• 直接消息传递: 通过performSelector的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化
• 全局变量、共享内存块和对象: 在两个线程之间传递信息的另一种简单方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块。尽管共享变量既快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱。必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性。 否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃。
• 条件执行: 条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。
• Runloop sources: 一个自定义的 Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率
• Ports and sockets:基于端口的通信是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态
• 消息队列: 传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效
• Cocoa 分布式对象: 分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高

线程与进程

进程: 在系统中正在运行的一个应用程序,每个进程之间都是独立的，每个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内。进程是CPU分配资源和调度的单位。 线程: 一个进程(程序)的所有任务都在线程中执行，每个进程至少有一个线程(主线程)。线程是CPU调度（执行任务）的最小单位，其实质就是一段代码（一个任务）。

Reference

1. iOS探索 多线程原理