【iOS】—— 多线程之pthread、NSThread

文章目录

• 1.pthread
• • • pthread简介：
    • pthread使用方法
    • pthread 其他相关方法
• 2.NSThread
• • • 创建，启动线程
    • 线程相关用法
    • 线程相关用法
    • 线程状态控制方法
    • 线程之间的通信
    • NSThread线程安全和线程同步
    • NSThread 非线程安全
    • NSThread 线程安全
    • 线程的状态转换
    • NSThread线程属性
    • • name属性：设置线程的名字
      • qualityOfService属性：设置线程优先级
      • 其他属性

在iOS中多线程开发有四种方式，在之前我们浅浅了解了一下GCD，这期来看看pthread和NSThread。

1.pthread

pthread简介：

pthread 是一套通用的多线程的 API，可以在Unix / Linux / Windows 等系统跨平台使用，使用 C 语言编写，需要程序员自己管理线程的生命周期，使用难度较大。
POSIX 线程（英语：POSIX Threads，常被缩写 为 Pthreads）是 POSIX 的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套 API。
实现 POSIX 线程标准的库常被称作 Pthreads，一般用于 Unix-like POSIX 系统，如 Linux、Solaris。但是 Microsoft Windows 上的实现也存在，例如直接使用 Windows API 实现的第三方库 pthreads-w32；而利用 Windows 的 SFU/SUA 子系统，则可以使用微软提供的一部分原生 POSIX API。（*）

pthread使用方法

1.首先要包含头文件#import <pthread.h>
2.其次要创建线程，并开启线程执行任务

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <pthread.h>
void *run(void *param) {
    for (NSInteger i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"%ld-> %@", i, [NSThread currentThread]);
        }
    return NULL;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        pthread_t myThread;
        int res = pthread_create(&myThread, NULL, run, NULL);
        if (res == 0) {
            NSLog(@"创建线程成功!");
        }
        // 线程结束后释放所有资源
        pthread_detach(myThread);
        NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
    }
    return 0;
}

运行结果：

pthread_create(&thread, NULL, run, NULL); 中各项参数含义：

• 第一个参数&thread是线程对象，指向线程标识符的指针
• 第二个是线程属性，可赋值NULL
• 第三个run表示指向函数的指针(run对应函数里是需要在新线程中执行的任务)
• 第四个是运行函数的参数，可赋值NULL

pthread 其他相关方法

• pthread_create() 创建一个线程
• pthread_exit() 终止当前线程
• pthread_cancel() 中断另外一个线程的运行
• pthread_join() 阻塞当前的线程，直到另外一个线程运行结束
• pthread_attr_init() 初始化线程的属性
• pthread_attr_setdetachstate() 设置脱离状态的属性（决定这个线程在终止时是否可以被结合）
• pthread_attr_getdetachstate() 获取脱离状态的属性
• pthread_attr_destroy() 删除线程的属性
• pthread_kill() 向线程发送一个信号

2.NSThread

NSThread 是苹果官方提供的，使用起来比 pthread 更加面向对象，简单易用，可以直接操作线程对象。不过也需要需要程序员自己管理线程的生命周期(主要是创建)，我们在开发的过程中偶尔使用 NSThread。比如我们会经常调用[NSThread currentThread]来显示当前的进程信息。

创建，启动线程

• 先创建线程，再启动线程

// 1. 创建线程
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
// 2. 启动线程
[thread start];    // 线程一启动，就会在线程thread中执行self的run方法

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

• 创建线程后自动启动线程

// 1. 创建线程后自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

• 隐式创建并启动线程

// 1. 隐式创建并启动线程
[self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

线程相关用法

// 获得主线程
+ (NSThread *)mainThread;    

// 判断是否为主线程(对象方法)
- (BOOL)isMainThread;

// 判断是否为主线程(类方法)
+ (BOOL)isMainThread;    

// 获得当前线程
NSThread *current = [NSThread currentThread];

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

// 线程的名字——getter方法
- (NSString *)name;    

线程相关用法

// 获得主线程
+ (NSThread *)mainThread;    

// 判断是否为主线程(对象方法)
- (BOOL)isMainThread;

// 判断是否为主线程(类方法)
+ (BOOL)isMainThread;    

// 获得当前线程
NSThread *current = [NSThread currentThread];

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

// 线程的名字——getter方法
- (NSString *)name;    

线程状态控制方法

• 启动线程方法

- (void)start;
// 线程进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态

• 阻塞（暂停）线程方法

+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
// 线程进入阻塞状态

• 强制停止线程

+ (void)exit;
// 线程进入死亡状态

线程之间的通信

在开发中，我们经常会在子线程进行耗时操作，操作结束后再回到主线程去刷新 UI。这就涉及到了子线程和主线程之间的通信。我们先来了解一下官方关于 NSThread 的线程间通信的方法。

// 在主线程上执行操作
- (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

// 在指定线程上执行操作
- (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);

// 在当前线程上执行操作，调用 NSObject 的 performSelector:相关方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

举例一个加载图片的demo：

/**
 * 创建一个线程下载图片
 */
- (void)downloadImageOnSubThread {
    // 在创建的子线程中调用downloadImage下载图片
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
}

/**
 * 下载图片，下载完之后回到主线程进行 UI 刷新
 */
- (void)downloadImage {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 1. 获取图片 imageUrl
    NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];
    
    // 2. 从 imageUrl 中读取数据(下载图片) -- 耗时操作
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
    // 通过二进制 data 创建 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];
    
    // 3. 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

/**
 * 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
 */
- (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 赋值图片到imageview
    self.imageView.image = image;
}

NSThread线程安全和线程同步

线程安全：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作（更改变量），一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

线程同步：可理解为线程 A 和 线程 B 一块配合，A 执行到一定程度时要依靠线程 B 的某个结果，于是停下来，示意 B 运行；B 依言执行，再将结果给 A；A 再继续操作。

举个简单例子就是：两个人在一起聊天。两个人不能同时说话，避免听不清(操作冲突)。等一个人说完(一个线程结束操作)，另一个再说(另一个线程再开始操作)。

下面，我们模拟火车票售卖的方式，实现 NSThread 线程安全和解决线程同步问题。

场景：总共有50张火车票，有两个售卖火车票的窗口，一个是北京火车票售卖窗口，另一个是上海火车票售卖窗口。两个窗口同时售卖火车票，卖完为止。

NSThread 非线程安全

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    // 1. 设置剩余火车票为 10
    self.ticketSurplusCount = 10;
    
    // 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
    
    // 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
    
    // 4. 开始售卖火车票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];

}

/**
 * 售卖火车票(非线程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        //如果还有票，继续售卖
        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            self.ticketSurplusCount --;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数：%d 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        }
        //如果已卖完，关闭售票窗口
        else {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

两个线程相互竞争，得到票数是错乱的，这样显然不符合我们的需求，所以我们需要考虑线程安全问题。

输出结果：

NSThread 线程安全

线程安全解决方案：可以给线程加锁，在一个线程执行该操作的时候，不允许其他线程进行操作。iOS 实现线程加锁有很多种方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各种方式。为了简单起见，这里不对各种锁的解决方案和性能做分析，只用最简单的@synchronized来保证线程安全，从而解决线程同步问题。

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusSave {
    // 1. 设置剩余火车票为 10
    self.ticketSurplusCount = 10;
    
    // 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
    
    // 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
    
    // 4. 开始售卖火车票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
    
}

/**
 * 售卖火车票(线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        // 互斥锁
        @synchronized (self) {
            //如果还有票，继续售卖
            if (self.ticketSurplusCount > 0) {
                self.ticketSurplusCount --;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数：%d 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            }
            //如果已卖完，关闭售票窗口
            else {
                NSLog(@"所有火车票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

输出结果：

两秒卖一次票，不会造成竞争。

线程的状态转换

当我们新建一条线程NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];，在内存中的表现为：

当调用[thread start];后，系统把线程对象放入可调度线程池中，线程对象进入就绪状态，如下图所示。

当然，可调度线程池中，会有其他的线程对象，如下图所示。在这里我们只关心左边的线程对象。
下边我们来看看当前线程的状态转换：

• 如果CPU现在调度当前线程对象，则当前线程对象进入运行状态，如果CPU调度其他线程对象，则当前线程对象回到就绪状态。
• 如果CPU在运行当前线程对象的时候调用了sleep方法\等待同步锁，则当前线程对象就进入了阻塞状态，等到sleep到时\得到同步锁，则回到就绪状态。
• 如果CPU在运行当前线程对象的时候线程任务执行完毕\异常强制退出，则当前线程对象进入死亡状态。

如下图所示：

NSThread线程属性

name属性：设置线程的名字

NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
    NSLog(@"线程：%@ start",[NSThread currentThread]);
 }];
thread.name = @"测试线程";
[thread start];

qualityOfService属性：设置线程优先级

typedef NS_ENUM(NSInteger, NSQualityOfService) {
    NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21,
    NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,
    NSQualityOfServiceUtility = 0x11,
    NSQualityOfServiceBackground = 0x09,
    NSQualityOfServiceDefault = -1
} API_AVAILABLE(macos(10.10), ios(8.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

NSQualityOfServiceUserInteractive 优先级最高，从上到下依次降低，NSQualityOfServiceDefault 为默认优先级。

测试：

//qualityOfService属性：设置线程优先级
- (void)qualityOfServiceStudy {
    NSThread *thread1 = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"\n 线程：%@ start",[NSThread currentThread]);
    }];
    thread1.name = @"测试线程 1 ";
    [thread1 start];
    
    NSThread *thread2 = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"\n 线程：%@ start",[NSThread currentThread]);
    }];
    thread2.qualityOfService = NSQualityOfServiceUserInteractive;
    thread2.name = @"测试线程 2 ";
    [thread2 start];
}

虽然 thread1 先于 thread2 start，但thread1优先级为默认，而thread2优先级为NSQualityOfServiceUserInteractive，在执行时，thread2 先于 thread1执行。

其他属性

• @property (class, readonly, copy) NSArray<NSNumber *> *callStackReturnAddresses //线程的调用会有函数的调用，该属性返回的就是 该线程中函数调用的虚拟地址数组。
• @property (class, readonly, copy) NSArray<NSString *> *callStackSymbols。 //该属性以符号的形式返回该线程调用函数。

callStackReturnAddress和callStackSymbols这两个函数可以同NSLog联合使用来跟踪线程的函数调用情况，是编程调试的重要手段。

• @property (readonly, retain) NSMutableDictionary *threadDictionary; //每个线程有自己的堆栈空间，线程内维护了一个键-值的字典，它可以在线程里面的任何地方被访问。
  你可以使用该字典来保存一些信息，这些信息在整个线程的执行过程中都保持不变。
  比如,你可以使用它来存储在你的整个线程过程中 Run loop 里面多次迭代的状态信息。
• @property (class, readonly, strong) NSThread *mainThread; // 获取主线程
• @property (class, readonly, strong) NSThread *currentThread;// 获取当前线程
• @property NSUInteger stackSize; // 线程使用堆栈大小，默认512k
• @property (readonly) BOOL isMainThread; // 是否是主线程
• @property (class, readonly) BOOL isMainThread ; // reports whether current thread is main
• @property (readonly, getter=isExecuting) BOOL executing ; // 线程是否正在执行
• @property (readonly, getter=isFinished) BOOL finished ; // 线程是否执行完毕
• @property (readonly, getter=isCancelled) BOOL cancelled; // 线程是否取消