iOS 面试常问之多线程

本片围绕多线程全面展开叙述。

1、为什么要有多线程/多线程是用来干什么的？

2、多线程是什么？

3、如何创建多线程？

4、多线程在哪些情况下会使用/多线程使用场景？

5、三种多线程的优缺点？

6、线程同步

7、总结

1、为什么要有多线程/多线程是用来干什么的？

　　每个iOS应用程序都有个专门用来更新显示UI界面、处理用户的触摸事件的主线程，因此不能将其他太耗时的操作放在主线程中执行，不然会造成主线程堵塞(出现卡机现象)，带来极坏的用户体验。一般的解决方案就是将那些耗时的操作放到另外一个线程中去执行，多线程编程是防止主线程堵塞，增加运行效率的最佳方法。

2、多线程是什么？

　　多线程是个复杂的概念，按字面意思是同步完成多项任务，提高了资源的使用效率。

　　从硬件、操作系统、应用软件不同的角度去看，多线程被赋予不同的内涵，对于硬件，现在市面上多数的CPU都是多核的，多核的CPU运算多线程更为出色；

　　从操作系统角度，是多任务，现在用的主流操作系统都是多任务的，可以一边听歌、一边写博客；

　　对于应用来说，多线程可以让应用有更快的回应，可以在网络下载时，同时响应用户的触摸操作。

　　在iOS应用中，对多线程最初的理解，就是并发，它的含义是原来先做烧水，再摘菜，再炒菜的工作，会变成烧水的同时去摘菜，最后去炒菜。

3、如何创建多线程？

　　线程创建有三种方法：使用NSThread创建、使用GCD的dispatch、使用子类化的NSOperation,然后将其加入NSOperationQueue中。下面对这三种方法做详细说明：

1, 使用NSThread创建

　　1.1 NSThread 有两种直接创建方式：

- (id)initWithTarget:(id)target selector:(SEL)selector object:(id)argument

+ (void)detachNewThreadSelector:(SEL)aSelector toTarget:(id)aTarget withObject:(id)anArgument

　　说明：第一个是实例方法，第二个是类方法。

　　selector ：线程执行的方法，这个selector只能有一个参数，而且不能有返回值

　　target  ：selector消息发送的对象

　　argument：传输给target的唯一参数，也可以是nil

　　第一种方式会直接创建线程并且开始运行线程，第二种方式是先创建线程对象，然后再运行线程操作，在运行线程操作前可以设置线程的优先级等线程信息。

 　　PS:不显式创建线程的方法：

//用NSObject的类方法  performSelectorInBackground:withObject: 创建一个线程：
[Obj performSelectorInBackground:@selector(doSomething) withObject:nil];

2, 使用子类化的NSOperation

　　使用 NSOperation的方式有两种：

　　一种是用定义好的两个子类：NSInvocationOperation 和 NSBlockOperation。

#import "ViewController.h"  
#define kURL @"http://avatar.csdn.net/2/C/D/1_totogo2010.jpg"  
  
@interface ViewController ()  
  
@end  
  
@implementation ViewController  
  
- (void)viewDidLoad  
{  
    [super viewDidLoad];  
    NSInvocationOperation *operation = [[NSInvocationOperation alloc]initWithTarget:self  
                                                                           selector:@selector(downloadImage:)  
                                                                             object:kURL];  
      
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc]init];  
    [queue addOperation:operation];  
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.  
}  
  
-(void)downloadImage:(NSString *)url{  
    NSLog(@"url:%@", url);  
    NSURL *nsUrl = [NSURL URLWithString:url];  
    NSData *data = [[NSData alloc]initWithContentsOfURL:nsUrl];  
    UIImage * image = [[UIImage alloc]initWithData:data];  
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(updateUI:) withObject:image waitUntilDone:YES];  
}  
-(void)updateUI:(UIImage*) image{  
    self.imageView.image = image;  
}  

1. viewDidLoad方法里可以看到我们用NSInvocationOperation建了一个后台线程，并且放到NSOperationQueue中。后台线程执行downloadImage方法。
2. downloadImage 方法处理下载图片的逻辑。下载完成后用performSelectorOnMainThread执行主线程updateUI方法。
3. updateUI 并把下载的图片显示到图片控件中。

　　另一种是继承NSOperation。

如何控制线程池中的线程数？

　　队列里可以加入很多个NSOperation, 可以把NSOperationQueue看作一个线程池，可往线程池中添加操作（NSOperation）到队列中。线程池中的线程可看作消费者，从队列中取走操作，并执行它。

//通过下面的代码设置：
[queue setMaxConcurrentOperationCount:5];
//线程池中的线程数，也就是并发操作数。默认情况下是-1，-1表示没有限制，这样会同时运行队列中的全部的操作。

3, 使用GCD的dispatch

　　利用dispatch_queue_create函数创建串行Dispatch Queue (serial dispatch queue)

　　使用dispatch_get_global_queue函数获取全局并发Dispatch Queue (concurrent dispatch queue)

　　使用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程关联的串行dispatch queue

　　使用dispatch_get_current_queue函数作为调试用途,或者测试当前queue的标识。在block对象中调用这个函数会返回block提交到的queue(这个时候queue应该正在执行中)。在block对象之外调用这个函数会返回应用的默认并发queue。

GCD常用方法：

1. dispatch_async

　　为了避免界面在处理耗时的操作时卡死，比如读取网络数据，IO,数据库读写等，我们会在另外一个线程中处理这些操作，然后通知主线程更新界面。

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
    // 耗时的操作  
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{  
        // 更新界面  
    });  
});  

2. dispatch_group_async

　　dispatch_group_async可以实现监听一组任务是否完成，完成后得到通知执行其他的操作。这个方法很有用，比如你执行三个下载任务，当三个任务都下载完成后你才通知界面说完成的了。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();  
dispatch_group_async(group, queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:1];  
    NSLog(@"group1");  
});  
dispatch_group_async(group, queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:2];  
    NSLog(@"group2");  
});  
dispatch_group_async(group, queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:3];  
    NSLog(@"group3");  
});  
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{  
    NSLog(@"updateUi");  
});  
dispatch_release(group);  

dispatch_group_async是异步的方法，运行后可以看到打印结果：

2012-09-25 16:04:16.737 gcdTest[43328:11303] group1

2012-09-25 16:04:17.738 gcdTest[43328:12a1b] group2

2012-09-25 16:04:18.738 gcdTest[43328:13003] group3

2012-09-25 16:04:18.739 gcdTest[43328:f803] updateUi

每个一秒打印一个，当第三个任务执行后，upadteUi被打印。

3. dispatch_barrier_async

　　dispatch_barrier_async是在前面的任务执行结束后它才执行，而且它后面的任务等它执行完成之后才会执行

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("gcdtest.rongfzh.yc", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);  
dispatch_async(queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:2];  
    NSLog(@"dispatch_async1");  
});  
dispatch_async(queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:4];  
    NSLog(@"dispatch_async2");  
});  
dispatch_barrier_async(queue, ^{  
    NSLog(@"dispatch_barrier_async");  
    [NSThread sleepForTimeInterval:4];  
  
});  
dispatch_async(queue, ^{  
    [NSThread sleepForTimeInterval:1];  
    NSLog(@"dispatch_async3");  
});  

　　打印结果：

2012-09-25 16:20:33.967 gcdTest[45547:11203] dispatch_async1

2012-09-25 16:20:35.967 gcdTest[45547:11303] dispatch_async2

2012-09-25 16:20:35.967 gcdTest[45547:11303] dispatch_barrier_async

2012-09-25 16:20:40.970 gcdTest[45547:11303] dispatch_async3

请注意执行的时间，可以看到执行的顺序如上所述。

 

4. dispatch_apply 

　　执行某个代码片段N次。

dispatch_apply(5, globalQ, ^(size_t index) {
    // 执行5次
});

5.dispatch_once()

单次执行一个任务，此方法中的任务只会执行一次，重复调用也没办法重复执行（单例模式中常用此方法）。

4、多线程在哪些情况下会使用/多线程使用场景？

　　在网络请求，读取大量文件，操作数据库，大量数据解析，单例，延迟等一些耗时操作中，都会用到多线程。

5、三种多线程的优缺点？

　　1. NSThread优点是比其他两种多线程方案较轻量级，更直观地控制线程对象。缺点是需要自己管理线程的生命周期，线程同步。线程同步对数据的加锁会有一定的系统开销。

　　2. 项目中使用NSOperation的优点是NSOperation是对线程的高度抽象，在项目中使用它，会使项目的程序结构更好，子类化NSOperation的设计思路，是具有面向对象的优点（复用、封装），使得实现是多线程支持，而接口简单，建议在复杂项目中使用。

　　3. 项目中使用GCD的优点是GCD本身非常简单、易用，对于不复杂的多线程操作，会节省代码量，而Block参数的使用，会是代码更为易读，建议在简单项目中使用。

 

6、线程同步

      说到多线程就不得不提多线程中的锁机制，多线程操作过程中往往多个线程是并发执行的，同一个资源可能被多个线程同时访问，造成资源抢夺，这个过程中如果没有锁机制往往会造成重大问题。举例来说，每年春节都是一票难求，在12306买票的过程中，成百上千的票瞬间就消失了。不妨假设某辆车有1千张票，同时有几万人在抢这列车的车票，顺利的话前面的人都能买到票。但是如果现在只剩下一张票了，而同时还有几千人在购买这张票，虽然在进入购票环节的时候会判断当前票数，但是当前已经有100个线程进入购票的环节，每个线程处理完票数都会减1,100个线程执行完当前票数为-99，遇到这种情况很明显是不允许的。

      要解决资源抢夺问题在iOS中有常用的有两种方法：一种是使用NSLock同步锁，另一种是使用@synchronized代码块。两种方法实现原理是类似的，只是在处理上代码块使用起来更加简单（C#中也有类似的处理机制synchronized和lock）。

1.NSLock

      iOS中对于资源抢占的问题可以使用同步锁NSLock来解决，使用时把需要加锁的代码（以后暂时称这段代码为”加锁代码“）放到NSLock的lock和unlock之间，一个线程A进入加锁代码之后由于已经加锁，另一个线程B就无法访问，只有等待前一个线程A执行完加锁代码后解锁，B线程才能访问加锁代码。需要注意的是lock和unlock之间的”加锁代码“应该是抢占资源的读取和修改代码，不要将过多的其他操作代码放到里面，否则一个线程执行的时候另一个线程就一直在等待，就无法发挥多线程的作用了。

       前面也说过使用同步锁时如果一个线程A已经加锁，线程B就无法进入。那么B怎么知道是否资源已经被其他线程锁住呢？可以通过tryLock方法，此方法会返回一个BOOL型的值，如果为YES说明获取锁成功，否则失败。另外还有一个lockBeforeData:方法指定在某个时间内获取锁，同样返回一个BOOL值，如果在这个时间内加锁成功则返回YES，失败则返回NO。

2.@synchronized代码块

     使用@synchronized解决线程同步问题相比较NSLock要简单一些，日常开发中也更推荐使用此方法。首先选择一个对象作为同步对象（一般使用self），然后将”加锁代码”（争夺资源的读取、修改代码）放到代码块中。@synchronized中的代码执行时先检查同步对象是否被另一个线程占用，如果占用该线程就会处于等待状态，直到同步对象被释放。下面的代码演示了如何使用@synchronized进行线程同步：

-(NSData *)requestData:(int )index{
    NSData *data;
    NSString *name;
    //线程同步
    @synchronized(self){
        if (_imageNames.count>0) {
            name=[_imageNames lastObject];
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.001f];
            [_imageNames removeObject:name];
        }
    }
    if(name){
        NSURL *url=[NSURL URLWithString:name];
        data=[NSData dataWithContentsOfURL:url];
    }
    return data;
}

7、总结

1>无论使用哪种方法进行多线程开发，每个线程启动后并不一定立即执行相应的操作，具体什么时候由系统调度（CPU空闲时就会执行）。

2>更新UI应该在主线程（UI线程）中进行，并且推荐使用同步调用，常用的方法如下：

• - (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait (或者-(void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL) wait;方法传递主线程[NSThread mainThread]) 
• [NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:
• dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{}) 

3>NSThread适合轻量级多线程开发，控制线程顺序比较难，同时线程总数无法控制（每次创建并不能重用之前的线程，只能创建一个新的线程）。

4>对于简单的多线程开发建议使用NSObject的扩展方法完成，而不必使用NSThread。

5>可以使用NSThread的currentThread方法取得当前线程，使用 sleepForTimeInterval:方法让当前线程休眠。

6>NSOperation进行多线程开发可以控制线程总数及线程依赖关系。

7>创建一个NSOperation不应该直接调用start方法（如果直接start则会在主线程中调用）而是应该放到NSOperationQueue中启动。

8>相比NSInvocationOperation推荐使用NSBlockOperation，代码简单，同时由于闭包性使它没有传参问题。

9>NSOperation是对GCD面向对象的ObjC封装，但是相比GCD基于C语言开发，效率却更高，建议如果任务之间有依赖关系或者想要监听任务完成状态的情况下优先选择NSOperation否则使用GCD。

10>在GCD中串行队列中的任务被安排到一个单一线程执行（不是主线程），可以方便地控制执行顺序；并发队列在多个线程中执行（前提是使用异步方法），顺序控制相对复杂，但是更高效。

11>在GDC中一个操作是多线程执行还是单线程执行取决于当前队列类型和执行方法，只有队列类型为并行队列并且使用异步方法执行时才能在多个线程中执行（如果是并行队列使用同步方法调用则会在主线程中执行）。

12>相比使用NSLock，@synchronized更加简单，推荐使用后者。