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iOS多線程:『pthread、NSThread』詳盡總結

suiling 2019-05-27 10:51:44 1474
本文來自 行走少年郎l ,作者 suiling

本文首發于我的個人博客:『不羈閣』 

文章鏈接:傳送門

本文用來介紹 iOS 多線程中,pthreadNSThread 的使用方法及實現。

第一部分:pthread 的使用、其他相關方法。

第二部分:NSThread 的使用、線程相關用法、線程狀態控制方法、線程之間的通信、線程安全和線程同步,以及線程的狀態轉換相關知識。

文中 Demo 我已放在了 Github 上,Demo 鏈接:傳送門

1. pthread

1.1 pthread 簡介


pthread 是一套通用的多線程的 API,可以在Unix / Linux / Windows 等系統跨平臺使用,使用 C  語言編寫,需要程序員自己管理線程的生命周期,使用難度較大,我們在 iOS 開發中幾乎不使用 pthread,但是還是來可以了解一下的。

引自 百度百科

POSIX 線程(POSIX threads),簡稱 Pthreads,是線程的 POSIX 標準。該標準定義了創建和操縱線程的一整套 API。在類Unix操作系統(Unix、Linux、Mac OS X等)中,都使用 Pthreads 作為操作系統的線程。Windows 操作系統也有其移植版 pthreads-win32。

引自 維基百科

POSIX 線程(英語:POSIX Threads,常被縮寫 為 Pthreads)是 POSIX 的線程標準,定義了創建和操縱線程的一套 API。

實現 POSIX 線程標準的庫常被稱作 Pthreads,一般用于 Unix-like POSIX 系統,如 Linux、Solaris。但是 Microsoft Windows 上的實現也存在,例如直接使用 Windows API 實現的第三方庫 pthreads-w32;而利用 Windows 的 SFU/SUA 子系統,則可以使用微軟提供的一部分原生 POSIX API。

1.2 pthread 使用方法


  1. 首先要包含頭文件#import <pthread.h>

  2. 其次要創建線程,并開啟線程執行任務

// 1. 創建線程: 定義一個pthread_t類型變量
pthread_t thread;
// 2. 開啟線程: 執行任務
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 3. 設置子線程的狀態設置為 detached,該線程運行結束后會自動釋放所有資源
pthread_detach(thread);

void * run(void *param)    // 新線程調用方法,里邊為需要執行的任務
{
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
    return NULL;
}
  • pthread_create(&thread, NULL, run, NULL); 中各項參數含義:
    • 第一個參數&thread是線程對象,指向線程標識符的指針

    • 第二個是線程屬性,可賦值NULL

    • 第三個run表示指向函數的指針(run對應函數里是需要在新線程中執行的任務)

    • 第四個是運行函數的參數,可賦值NULL

1.3 pthread 其他相關方法


  • pthread_create() 創建一個線程

  • pthread_exit() 終止當前線程

  • pthread_cancel() 中斷另外一個線程的運行

  • pthread_join() 阻塞當前的線程,直到另外一個線程運行結束

  • pthread_attr_init() 初始化線程的屬性

  • pthread_attr_setdetachstate() 設置脫離狀態的屬性(決定這個線程在終止時是否可以被結合)

  • pthread_attr_getdetachstate() 獲取脫離狀態的屬性

  • pthread_attr_destroy() 刪除線程的屬性

  • pthread_kill() 向線程發送一個信號

2. NSThread

NSThread 是蘋果官方提供的,使用起來比 pthread 更加面向對象,簡單易用,可以直接操作線程對象。不過也需要需要程序員自己管理線程的生命周期(主要是創建),我們在開發的過程中偶爾使用 NSThread。比如我們會經常調用[NSThread currentThread]來顯示當前的進程信息。

下邊我們說說 NSThread 如何使用。

2.1 創建、啟動線程


  • 先創建線程,再啟動線程

// 1. 創建線程
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
// 2. 啟動線程
[thread start];    // 線程一啟動,就會在線程thread中執行self的run方法
// 新線程調用方法,里邊為需要執行的任務

- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}
  • 創建線程后自動啟動線程

// 1. 創建線程后自動啟動線程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];
// 新線程調用方法,里邊為需要執行的任務
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}
  • 隱式創建并啟動線程

// 1. 隱式創建并啟動線程
[self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];
// 新線程調用方法,里邊為需要執行的任務
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

2.2 線程相關用法


// 獲得主線程
+ (NSThread *)mainThread;
    
// 判斷是否為主線程(對象方法)
- (BOOL)isMainThread;

// 判斷是否為主線程(類方法)
+ (BOOL)isMainThread;    

// 獲得當前線程
NSThread *current = [NSThread currentThread];

// 線程的名字——setter方法
- (void)setName:(NSString *)n; 
   
// 線程的名字——getter方法
- (NSString *)name;

2.3 線程狀態控制方法


  • 啟動線程方法

- (void)start;
// 線程進入就緒狀態 -> 運行狀態。當線程任務執行完畢,自動進入死亡狀態
  • 阻塞(暫停)線程方法

+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
// 線程進入阻塞狀態
  • 強制停止線程

+ (void)exit;
// 線程進入死亡狀態

2.4 線程之間的通信


在開發中,我們經常會在子線程進行耗時操作,操作結束后再回到主線程去刷新 UI。這就涉及到了子線程和主線程之間的通信。我們先來了解一下官方關于 NSThread 的線程間通信的方法。

// 在主線程上執行操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray<NSString *> *)array;
  // equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes

// 在指定線程上執行操作
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 在當前線程上執行操作,調用 NSObject 的 performSelector:相關方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

下面通過一個經典的下載圖片 DEMO 來展示線程之間的通信。具體步驟如下:

  1. 開啟一個子線程,在子線程中下載圖片。

  2. 回到主線程刷新 UI,將圖片展示在 UIImageView 中。

DEMO 代碼如下:

/**
 * 創建一個線程下載圖片
 */
- (void)downloadImageOnSubThread {
    // 在創建的子線程中調用downloadImage下載圖片
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
}

/**
 * 下載圖片,下載完之后回到主線程進行 UI 刷新
 */
- (void)downloadImage {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 1. 獲取圖片 imageUrl
    NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];
    
    // 2. 從 imageUrl 中讀取數據(下載圖片) -- 耗時操作
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
    // 通過二進制 data 創建 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];
    
    // 3. 回到主線程進行圖片賦值和界面刷新
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

/**
 * 回到主線程進行圖片賦值和界面刷新
 */
- (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 賦值圖片到imageview
    self.imageView.image = image;
}

2.5  NSThread 線程安全和線程同步


線程安全:如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行,而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的,而且其他的變量的值也和預期的是一樣的,就是線程安全的。

若每個線程中對全局變量、靜態變量只有讀操作,而無寫操作,一般來說,這個全局變量是線程安全的;若有多個線程同時執行寫操作(更改變量),一般都需要考慮線程同步,否則的話就可能影響線程安全。

線程同步:可理解為線程 A 和 線程 B 一塊配合,A 執行到一定程度時要依靠線程 B 的某個結果,于是停下來,示意 B 運行;B 依言執行,再將結果給 A;A 再繼續操作。

舉個簡單例子就是:兩個人在一起聊天。兩個人不能同時說話,避免聽不清(操作沖突)。等一個人說完(一個線程結束操作),另一個再說(另一個線程再開始操作)。

下面,我們模擬火車票售賣的方式,實現 NSThread 線程安全和解決線程同步問題。

場景:總共有50張火車票,有兩個售賣火車票的窗口,一個是北京火車票售賣窗口,另一個是上海火車票售賣窗口。兩個窗口同時售賣火車票,賣完為止。

2.5.1 NSThread 非線程安全

先來看看不考慮線程安全的代碼:

/**
 * 初始化火車票數量、賣票窗口(非線程安全)、并開始賣票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    // 1. 設置剩余火車票為 50
    self.ticketSurplusCount = 50;
    
    // 2. 設置北京火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火車票售票窗口";
    
    // 3. 設置上海火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火車票售票窗口";
    
    // 4. 開始售賣火車票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
    
}

/**
 * 售賣火車票(非線程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        //如果還有票,繼續售賣
        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            self.ticketSurplusCount --;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票數:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        }
        //如果已賣完,關閉售票窗口
        else {
            NSLog(@"所有火車票均已售完");
            break;
        }
    }
}

運行后部分結果為:

image.png

可以看到在不考慮線程安全的情況下,得到票數是錯亂的,這樣顯然不符合我們的需求,所以我們需要考慮線程安全問題。

2.5.2 NSThread 線程安全

線程安全解決方案:可以給線程加鎖,在一個線程執行該操作的時候,不允許其他線程進行操作。iOS 實現線程加鎖有很多種方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各種方式。為了簡單起見,這里不對各種鎖的解決方案和性能做分析,只用最簡單的@synchronized來保證線程安全,從而解決線程同步問題。

考慮線程安全的代碼:

/**
 * 初始化火車票數量、賣票窗口(線程安全)、并開始賣票
 */
- (void)initTicketStatusSave {
    // 1. 設置剩余火車票為 50
    self.ticketSurplusCount = 50;
    
    // 2. 設置北京火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火車票售票窗口";
    
    // 3. 設置上海火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火車票售票窗口";
    
    // 4. 開始售賣火車票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
    
}

/**
 * 售賣火車票(線程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        // 互斥鎖
        @synchronized (self) {
            //如果還有票,繼續售賣
            if (self.ticketSurplusCount > 0) {
                self.ticketSurplusCount --;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票數:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            }
            //如果已賣完,關閉售票窗口
            else {
                NSLog(@"所有火車票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

運行后結果為:

image.png

省略一部分結果圖。。。

image.png

可以看出,在考慮了線程安全的情況下,加鎖之后,得到的票數是正確的,沒有出現混亂的情況。我們也就解決了多個線程同步的問題。

2.6 線程的狀態轉換


當我們新建一條線程NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];,在內存中的表現為:

image.png

當調用[thread start];后,系統把線程對象放入可調度線程池中,線程對象進入就緒狀態,如下圖所示。

image.png

當然,可調度線程池中,會有其他的線程對象,如下圖所示。在這里我們只關心左邊的線程對象。

image.png

下邊我們來看看當前線程的狀態轉換。

  • 如果CPU現在調度當前線程對象,則當前線程對象進入運行狀態,如果CPU調度其他線程對象,則當前線程對象回到就緒狀態。

  • 如果CPU在運行當前線程對象的時候調用了sleep方法\等待同步鎖,則當前線程對象就進入了阻塞狀態,等到sleep到時\得到同步鎖,則回到就緒狀態。

  • 如果CPU在運行當前線程對象的時候線程任務執行完畢\異常強制退出,則當前線程對象進入死亡狀態。

只看文字可能不太好理解,具體當前線程對象的狀態變化如下圖所示。

image.png


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