iOS多线程开发笔记

iOS 多线程

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 2016/11/15 

[TOC]

GCD、NSOperation和多线程编程推荐阅读

五星：

四星：

多线程编程概念

基本概念、术语：

进程（Precess）：进程是操作系统管理和分配资源的最小单位，每个进程都有自己的内存空间、系统资源，至少有一个主线程和多个辅助线程。在iOS中，每个App运行的时候，都有对应的进程。
线程（Thread）：线程则是操作系统具体的执行单元，代码的执行是在线程来完成的。在iOS中，线程的底层实现是基于POSIX thread API的，也就是我们常说的pthread。
任务（Task）：任务是我们抽象出来的需要执行的工作，一般指代一段代码。
同步 vs 异步
1. 同步是指函数的调用会阻塞当前的线程，必须等待函数返回才能继续执行接下来的代码。
2. 异步函数的调用则不会阻塞当前线程，函数调用之后立刻返回，一般通过回调函数来处理函数的执行结果。
3. 异步函数能够有效的完成一些耗时的任务，而不必影响代码的执行流，能够提高代码的处理效率。
串行 vs 并发
1. 串行指的是在同一个时间只能有一个任务在执行。
2. 并发指的是在同一个时间可以有多个任务一起执行。
3. 并发一般用于多核编程，通过高效的利用多核的优势，把不同的任务分配到各个执行单元来提高效率。
Dispatch Queue vs Operation Queue
1. GCD和NSOperation/NSOperationQueue是iOS上面来处理多线程开发的工具，对应的概念分别是Dispatch Queue和Operation Queue。

iOS并发编程模型

在其他的操作系统中，我们往往需要手动创建线程、管理线程的生命周期，在不需要的时候负责销毁线程和线程使用的资源，更加痛苦的是需要使用线程锁、信号量、代码临界区等手段完成线程的同步工作，这些操作往往容易出错而且繁杂。
iOS通过抽象出队列的概念，让开发者更加关注于任务的安排和调度，而从线程的管理工作中解脱出来。在很多时候，iOS把一些繁杂且容易出错的工作（ARC代替MRC）抽离到底层中，能够让开发者把注意力更多地放到真正的任务上，这也是iOS能够吸引广大开发者的原因之一吧。

NSThread vs GCD vs NSOperation，它们到底是什么？

三种解决方案

NSThread：一个封装pthread API的线程对象，需要进行线程创建、销毁和处理线程同步，是最接近系统底层的解决方案。
GCD：苹果基于C语言开发的，一个用于多核编程的解决方案，是一个轻量级的、以FIFO的顺序来执行并发任务的库。
NSOperation：建立在GCD的基础上，面向对象的解决方案，比GCD更加灵活，也更加强大。

它们具体是什么？

NSThread: Cocoa对于pthread API的封装，提供了一套面向对象的接口，需要开发者自行管理线程的生命周期、处理线程同步。大多是的时候，我们是不需要直接使用这些底层的对象，而是使用GCD或者NSOperation等更加高级的接口。
关于Operation对象
1. NSOperation对象本身是一个抽象类，不能直接使用。要么使用系统预定义的两个子类NSInvocationOperation和NSBlockOperation或者定义它的子类。
2. NSInvocationOperation:可以使用object和selector来创建一个NSInvocationOperation，非常的方便和灵活。当代码中已经有相关的处理逻辑方法时，建议直接使用NSInvocationOperation来进行替代。
3. NSBlockOperation：可以使用NSBlockOperation来并发的执行一个或者多个block，只有当所有的block都执行完毕，NSBlockOperation才算执行完成，有点像dispatch_group的概念。
4. 所有的Operation都有下面的特性：
  1. 支持在 operation 之间建立依赖关系，只有当一个 operation 所依赖的所有 operation 都执行完成时，这个 operation 才能开始执行；
  2. 支持一个可选的 completion block ，这个 block 将会在 operation 的主任务执行完成时被调用，在任务被取消的时候也会执行；
  3. 支持通过 KVO 来观察 operation 执行状态的变化，Operation正是通过KVO通知来实现依赖运行，所以我们需要在自定义的子类中的处理好KVO的属性；
  4. 支持设置执行的优先级，从而影响 operation 之间的相对执行顺序；
  5. 支持取消操作，可以允许我们停止正在执行的 operation 。
GCD队列：
1. 以FIFO顺序执行任务的队列调度系统，先入队列的任务一定先执行。
2. 两种类型的队列：
  1. 串行队列（Serial Queue）:同一时间内只能有一个任务正在被执行。
  2. 并发队列（Concurrent Queue）:同一时间内可以有多个任务同时被执行。
  3. iOS默认提供5个队列：
    1. 主队列（Main Queue）：应用程序主线程应用的队列，用于更新UI，属于串行队列。
    2. 四个全局队列：
      1. 按照队列优先级排序，分别是：High、Default、Low、Background。
      2. 这四个全局队列是由系统提供的，在所有的App中共享，当然也包含了Apple的应用。
    3. 并发队列中任务的执行顺序：
      1. 由于队列的并发数是有系统根据当前的资源动态管理的，我们不知道也不能够设置队列中任务执行的时机和所需时长。
      2. 只有当位于队列前面的任务执行完毕、出队列后，才会执行后面的任务，但是当前并发执行的任务数量我们不得而知。
3. 自定义队列：
  1. 我们可以自定义串行或者并发队列来完成任务的执行和调度。

各自的优势和劣势

优势：
1. NSThread：
  1. 能够执行实时任务。其他两者都是由系统管理的队列，不能保证实时性。
2. GCD：
  1. 可以非常简洁的完成简单异步任务的调用，如在主线程更新UI，延迟执行。
  2. 只需要把任务分发到队列之后，不需要管理任务的调度情况。
3. NSOperation：
  1. 给任务添加依赖
  2. 取消或者暂停一个正在执行的任务
  3. 有一个可选的completionBlock
  4. 可以通过KVO来查看任务的执行情况
  5. 可以给任务设置优先级，从而影响任务的执行顺序
短板：
1. NSThread：需要进行线程的创建、销毁，以及处理线程同步的问题，过于繁杂，而且容易出错。
2. GCD:
  1. 对于任务的管理不够：如不能取消任务、设置依赖和优先级等。
3. NSOperation:
  1. 相比于GCD，会增加系统的额外开销。

多线程代码中，需要注意哪些问题？

有了GCD来调度block，我们为什么还需要NSBlockOperation?
1. 现有代码已经在使用OperationQueue，而我们不想使用Dispatch Queue的时候，NSBlockOperation提供了一个面向对象的封装。
2. 当我们需要dispatch queue不能提供的功能时，如KVO观察Operation状态变化、设置operation之间依赖等。
NSInvocationOperation的灵活性是什么意思？
1. 我们可以通过上下文来改变selector和object对象。
如何定义一个非并发的operation？
1. 对于非并发的operation，我们只需要实现main方法和能够正常响应取消事件。
2. 其他复杂的工作如KVO通知、依赖设置等工作NSOperation类的start方法已经帮我们提供了默认实现。
3. 简单实现：
  1. 提供一个自定义的初始化方法
  2. 重写main方法
如何实现一个并发的operation？
1. 一般我们不需要实现并发的operation，当operation和operation queue一起使用的时候，Operation Queue会为非并发的operation创建单独的线程。
2. 默认情况下，operation是同步执行的，也就是我们直接使用start方法的时候，它是在调用者的线程中执行的。
3. Operation的isConcurrent属性表明一个operation是否支持并发。
4. 配置并发的Operation：只有当我们需要手动执行operation，并且希望支持并发执行，需要重写下面的方法。
  1. start：必须，配置任务执行的线程和其他资源，但是一定不能调用父类的实现。
  2. main：可选，一般用来执行具体的任务，而start方法更多是用来配置初始环境，当然也可以用来执行具体的任务。
  3. isExecuting和isFinished：必须，并发的Operation需要自己来配置环境，同时还需要向外界来传递状态的变化，而isExecuting和isFinished这两个状态的变化需要使用KVO来通知外部。
  4. isConcurrent：必须，用来标识一个Operation是否支持并发。
如何完成自定义operation的cancel操作？
1. 在下面这几个关键点的检查isCancelled属性
  1. 在真正开始执行operaiton之前
  2. 至少在一次循环之中需要检查一次，如果单次循环耗时较长，则需要更加频繁的检查
  3. 在任何相对比较容易终止Operation的地方
2. 需要注意的是虽然Operation支持取消操作，但是并不是立刻就可以被终止的，而是在下一个isCancelled的检查点。
3. 在我们自定义Operation子类的时候，即使operation是被cancel了，我们仍然需要设置isFinished方法为true，因为在设置operation依赖的时候，它们的operation就是通过KVO来观察isFinished方法来判断时候可以执行的，如果在cancel的时候，没有设置isFinished方法，那么其他的operation将永远不会执行。
如何定制Operation对象的执行行为：
1. 在Operation添加到Operation Queue之前，我们可以配置Operation的一些行为。
2. 配置依赖关系
  1. 依赖关系是在Operation之间的，与是否在同一个Operation Queue没有关系，也就是说，我们在位于不同的Operation Queue中的Operation之间设置依赖。
  2. 注意不要产生依赖循环。
  3. 在把operation添加到Operation Queue之前就需要配置好依赖，在添加后设置的依赖可能无效。
3. 修改operation在队列中的优先级
  1. Operation在队列中的执行顺序取决于isReady状态和队列优先级。
  2. isReady受它所依赖的operation状态的影响，只有当依赖的所有operation都变为isFinished的时候，isReady状态才为true。
  3. queuePriority只能作用与相同队列中的operation，并且队列优先级只有当isReady为true的时候，才会决定operation的执行顺序。
  4. isReady为FALSE的时候，isReady为true的低队列优先级的operation也会先执行。
一个串行的 operation queue 与一个串行的 dispatch queue是一样的么？
1. 两者都是在同一时间内只能有一个任务被执行，但是在任务的执行顺序上是不同的：
  1. dispatch queue 的执行顺序一直是 FIFO 的
  2. operation queue中的operation执行的顺序取决于isReady和queuePriority状态。
如何用GCD实现一个线程安全的单例？
1. ObjC
2. Swift

原文作者：zenghao0708

原文链接：https://coolzeng.com/posts/ios-thread-tips/

发表日期：November 15th 2016, 9:51:37 pm

更新日期：August 6th 2022, 4:40:55 pm

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1. 3.1. 三种解决方案
  1. 3.1.1. 它们具体是什么？
2. 3.2. 各自的优势和劣势
4. 多线程代码中，需要注意哪些问题？