iOS 如何高效的使用多線程

一、多線程簡(jiǎn)述

線程是程序執(zhí)行流的最小單元，一個(gè)線程包括：獨(dú)有ID，程序計(jì)數(shù)器 (Program Counter)，寄存器集合，堆棧。同一進(jìn)程可以有多個(gè)線程，它們共享進(jìn)程的全局變量和堆數(shù)據(jù)。

這里的 PC (Program Counter) 指向的是當(dāng)前的指令地址，通過 PC 的更新來(lái)運(yùn)行我們的程序，一個(gè)線程同一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令。當(dāng)然我們知道線程和進(jìn)程都是虛擬的概念，實(shí)際上 PC 是 CPU 核心中的寄存器，它是實(shí)際存在的，所以也可以說一個(gè) CPU 核心同一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)線程。

不管是多處理器設(shè)備還是多核設(shè)備，開發(fā)者往往只需要關(guān)心 CPU 的核心數(shù)量，而不需關(guān)心它們的物理構(gòu)成。CPU 核心數(shù)量是有限的，也就是說一個(gè)設(shè)備并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)量是有限的，當(dāng)線程數(shù)量超過 CPU 核心數(shù)量時(shí)，一個(gè) CPU 核心往往就要處理多個(gè)線程，這個(gè)行為叫做線程調(diào)度。

線程調(diào)度簡(jiǎn)單來(lái)說就是：一個(gè) CPU 核心輪流讓各個(gè)線程分別執(zhí)行一段時(shí)間。當(dāng)然這中間還包含著復(fù)雜的邏輯，后文再來(lái)分析。

二、多線程的優(yōu)化思路

在移動(dòng)端開發(fā)中，因?yàn)橄到y(tǒng)的復(fù)雜性，開發(fā)者往往不能期望所有線程都能真正的并發(fā)執(zhí)行，而且開發(fā)者也不清楚 XNU 何時(shí)切換內(nèi)核態(tài)線程、何時(shí)進(jìn)行線程調(diào)度，所以開發(fā)者要經(jīng)?？紤]到線程調(diào)度的情況。

1、減少線程切換

當(dāng)線程數(shù)量超過 CPU 核心數(shù)量，CPU 核心通過線程調(diào)度切換用戶態(tài)線程，意味著有上下文的轉(zhuǎn)換（寄存器數(shù)據(jù)、棧等），過多的上下文切換會(huì)帶來(lái)資源開銷。雖然內(nèi)核態(tài)線程的切換理論上不會(huì)是性能負(fù)擔(dān)，開發(fā)中還是應(yīng)該盡量減少線程的切換。

2、線程優(yōu)先級(jí)權(quán)衡

通常來(lái)說，線程調(diào)度除了輪轉(zhuǎn)法以外，還有優(yōu)先級(jí)調(diào)度的方案，在線程調(diào)度時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的線程會(huì)更早的執(zhí)行。有兩個(gè)概念需要明確：

• IO 密集型線程：頻繁等待的線程，等待的時(shí)候會(huì)讓出時(shí)間片。
• CPU 密集型線程：很少等待的線程，意味著長(zhǎng)時(shí)間占用著 CPU。
  

特殊場(chǎng)景下，當(dāng)多個(gè) CPU 密集型線程霸占了所有 CPU 資源，而它們的優(yōu)先級(jí)都比較高，而此時(shí)優(yōu)先級(jí)較低的 IO 密集型線程將持續(xù)等待，產(chǎn)生線程餓死的現(xiàn)象。當(dāng)然，為了避免線程餓死，系統(tǒng)會(huì)逐步提高被“冷落”線程的優(yōu)先級(jí)，IO 密集型線程通常情況下比 CPU 密集型線程更容易獲取到優(yōu)先級(jí)提升。

雖然系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)做這些事情，但是這總歸會(huì)造成時(shí)間等待，可能會(huì)影響用戶體驗(yàn)。所以筆者認(rèn)為開發(fā)者需要從兩個(gè)方面權(quán)衡優(yōu)先級(jí)問題：

• 讓 IO 密集型線程優(yōu)先級(jí)高于 CPU 密集型線程。
• 讓緊急的任務(wù)擁有更高的優(yōu)先級(jí)。

比如一個(gè)場(chǎng)景：大量的圖片異步解壓的任務(wù)，解壓的圖片不需要立即反饋給用戶，同時(shí)又有大量的異步查詢磁盤緩存的任務(wù)，而查詢磁盤緩存任務(wù)完成過后需要反饋給用戶。

圖片解壓屬于 CPU 密集型線程，查詢磁盤緩存屬于 IO 密集型線程，而后者需要反饋給用戶更加緊急，所以應(yīng)該讓圖片解壓線程的優(yōu)先級(jí)低一點(diǎn)，查詢磁盤緩存的線程優(yōu)先級(jí)高一點(diǎn)。

值得注意的是，這里是說大量的異步任務(wù)，意味著 CPU 很有可能滿負(fù)荷運(yùn)算，若 CPU 資源綽綽有余的情況下就沒那個(gè)必要去處理優(yōu)先級(jí)問題。

3、主線程任務(wù)的優(yōu)化

有些業(yè)務(wù)只能寫在主線程，比如 UI 類組件的初始化及其布局。其實(shí)這方面的優(yōu)化就比較多了，業(yè)界所說的性能優(yōu)化大部分都是為了減輕主線程的壓力，似乎有些偏離了多線程優(yōu)化的范疇了，下面就基于主線程任務(wù)的管理大致羅列幾點(diǎn)吧：

• 內(nèi)存復(fù)用
  

通過內(nèi)存復(fù)用來(lái)減少開辟內(nèi)存的時(shí)間消耗，這在系統(tǒng) UI 類組件中應(yīng)用廣泛，比如 UITableViewCell 的復(fù)用。同時(shí)，減少開辟內(nèi)存意味著減少了內(nèi)存釋放，同樣能節(jié)約 CPU 資源。

• 懶加載任務(wù)
  

既然 UI 組件必須在主線程初始化，那么就需要用時(shí)再初始化吧，swift 的寫時(shí)復(fù)制也是類似的思路。

• 任務(wù)拆分排隊(duì)執(zhí)行
  

通過監(jiān)聽 Runloop 即將結(jié)束等通知，將大量的任務(wù)拆分開來(lái)，在每次 Runloop 循環(huán)周期執(zhí)行少量任務(wù)。其實(shí)在實(shí)踐這種優(yōu)化思路之前，應(yīng)該想想能不能將任務(wù)放到異步線程，而不是用這種比較極端的優(yōu)化手段。

• 主線程空閑時(shí)執(zhí)行任務(wù)

//這里是主線程上下文

`dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{

//等到主線程空閑執(zhí)行該任務(wù)

});

三、關(guān)于“鎖”

多線程會(huì)帶來(lái)線程安全問題，當(dāng)原子操作不能滿足業(yè)務(wù)時(shí)，往往需要使用各種“鎖”來(lái)保證內(nèi)存的讀寫安全。

常用的鎖有互斥鎖、讀寫鎖、空轉(zhuǎn)鎖，通常情況下，iOS 開發(fā)中互斥鎖pthread_mutex_t、dispatch_semaphore_t，讀寫鎖pthread_rwlock_t就能滿足大部分需求，并且性能不錯(cuò)。

在讀取鎖失敗時(shí)，線程有可能有兩種狀態(tài)：

• 空轉(zhuǎn)狀態(tài)：線程執(zhí)行空任務(wù)循環(huán)等待，當(dāng)鎖可用時(shí)立即獲取鎖。
• 掛起狀態(tài)：線程掛起，當(dāng)鎖可用時(shí)需要其他線程喚醒。

喚醒線程比較耗時(shí)，線程空轉(zhuǎn)需要消耗 CPU 資源并且時(shí)間越長(zhǎng)消耗越多，由此可知空轉(zhuǎn)適合少量任務(wù)、掛起適合大量任務(wù)。

實(shí)際上互斥鎖和讀寫鎖都有空轉(zhuǎn)鎖的特性，它們?cè)讷@取鎖失敗時(shí)會(huì)先空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，然后才會(huì)掛起，而空轉(zhuǎn)鎖也不會(huì)永遠(yuǎn)的空轉(zhuǎn)，在特定的空轉(zhuǎn)時(shí)間過后仍然會(huì)掛起，所以通常情況下不用刻意去使用空轉(zhuǎn)鎖，Casa Taloyum 在博客中有詳細(xì)的解釋。

1、OSSpinLock 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)概念：比如兩個(gè)線程 A 和 B，優(yōu)先級(jí) A < B。當(dāng) A 獲取鎖訪問共享資源時(shí)，B 嘗試獲取鎖，那么 B 就會(huì)進(jìn)入忙等狀態(tài)，忙等時(shí)間越長(zhǎng)對(duì) CPU 資源的占用越大；而由于 A 的優(yōu)先級(jí)低于 B，A 無(wú)法與高優(yōu)先級(jí)的線程爭(zhēng)奪 CPU 資源，從而導(dǎo)致任務(wù)遲遲完成不了。解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的方法有“優(yōu)先級(jí)天花板”和“優(yōu)先級(jí)繼承”，它們的核心操作都是提升當(dāng)前正在訪問共享資源的線程的優(yōu)先級(jí)。

2、避免死鎖

很常見的場(chǎng)景是，同一線程重復(fù)獲取鎖導(dǎo)致的死鎖，這種情況可以使用遞歸鎖來(lái)處理，pthread_mutex_t使用pthread_mutex_init_recursive()方法初始化就能擁有遞歸鎖的特性。

使用pthread_mutex_trylock()等嘗試獲取鎖的方法能有效的避免死鎖的情況

3、最小化加鎖任務(wù)

開發(fā)者應(yīng)該充分的理解業(yè)務(wù)，將鎖包含的代碼區(qū)域盡量縮小，不會(huì)出現(xiàn)線程安全問題 的代碼就不要用鎖來(lái)保護(hù)了，這樣才能提高并發(fā)時(shí)鎖的性能。

4、時(shí)刻注意不可重入方法的安全

當(dāng)一個(gè)方法是可重入的時(shí)候，可以放心大膽的使用，若一個(gè)方法不可重入，開發(fā)者應(yīng)該多留意，思考這個(gè)方法會(huì)不會(huì)有多個(gè)線程訪問的情況，若有就老老實(shí)實(shí)的加上線程鎖。

5、編譯器的過度優(yōu)化

編譯器可能會(huì)為了提高效率將變量寫入寄存器而暫時(shí)不寫回，方便下次使用，我們知道一句代碼轉(zhuǎn)換為指令不止一條，所以在變量寫入寄存器沒來(lái)得及寫回的過程中，可能這個(gè)變量被其它線程讀寫了。編譯器同樣會(huì)為了提高效率對(duì)它認(rèn)為順序無(wú)關(guān)的指令調(diào)換順序。

以上都可能會(huì)導(dǎo)致合理使用鎖的地方仍然線程不安全，而volatile關(guān)鍵字就可以解決這類問題，它能阻止編譯器為了效率將變量緩存到寄存器而不及時(shí)寫回，也能阻止編譯器調(diào)整操作volatile修飾變量的指令順序。

原子自增函數(shù)就有類似的應(yīng)用： int32_t OSAtomicIncrement32( volatile int32_t *__theValue ) 。

 6、CPU 亂序執(zhí)行

CPU 也可能為了提高效率而去交換指令的順序，導(dǎo)致加鎖的代碼也不安全，解決這類問題可以使用內(nèi)存屏障，CPU 越過內(nèi)存屏障后會(huì)刷新寄存器對(duì)變量的分配。

以上就是iOS 如何高效使用的多線程的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于ios 多線程的資料請(qǐng)關(guān)注億速云其它相關(guān)文章！