iOS 如何高效的使用多线程

一、多线程简述

线程是程序执行流的最小单元，一个线程包括：独有ID，程序计数器 (Program Counter)，寄存器集合，堆栈。同一进程可以有多个线程，它们共享进程的全局变量和堆数据。

这里的 PC (Program Counter) 指向的是当前的指令地址，通过 PC 的更新来运行我们的程序，一个线程同一时刻只能执行一条指令。当然我们知道线程和进程都是虚拟的概念，实际上 PC 是 CPU 核心中的寄存器，它是实际存在的，所以也可以说一个 CPU 核心同一时刻只能执行一个线程。

不管是多处理器设备还是多核设备，开发者往往只需要关心 CPU 的核心数量，而不需关心它们的物理构成。CPU 核心数量是有限的，也就是说一个设备并发执行的线程数量是有限的，当线程数量超过 CPU 核心数量时，一个 CPU 核心往往就要处理多个线程，这个行为叫做线程调度。

线程调度简单来说就是：一个 CPU 核心轮流让各个线程分别执行一段时间。当然这中间还包含着复杂的逻辑，后文再来分析。

二、多线程的优化思路

在移动端开发中，因为系统的复杂性，开发者往往不能期望所有线程都能真正的并发执行，而且开发者也不清楚 XNU 何时切换内核态线程、何时进行线程调度，所以开发者要经常考虑到线程调度的情况。

1、减少线程切换

当线程数量超过 CPU 核心数量，CPU 核心通过线程调度切换用户态线程，意味着有上下文的转换（寄存器数据、栈等），过多的上下文切换会带来资源开销。虽然内核态线程的切换理论上不会是性能负担，开发中还是应该尽量减少线程的切换。

2、线程优先级权衡

通常来说，线程调度除了轮转法以外，还有优先级调度的方案，在线程调度时，高优先级的线程会更早的执行。有两个概念需要明确：

• IO 密集型线程：频繁等待的线程，等待的时候会让出时间片。
• CPU 密集型线程：很少等待的线程，意味着长时间占用着 CPU。

特殊场景下，当多个 CPU 密集型线程霸占了所有 CPU 资源，而它们的优先级都比较高，而此时优先级较低的 IO 密集型线程将持续等待，产生线程饿死的现象。当然，为了避免线程饿死，系统会逐步提高被“冷落”线程的优先级，IO 密集型线程通常情况下比 CPU 密集型线程更容易获取到优先级提升。

虽然系统会自动做这些事情，但是这总归会造成时间等待，可能会影响用户体验。所以笔者认为开发者需要从两个方面权衡优先级问题：

• 让 IO 密集型线程优先级高于 CPU 密集型线程。
• 让紧急的任务拥有更高的优先级。

比如一个场景：大量的图片异步解压的任务，解压的图片不需要立即反馈给用户，同时又有大量的异步查询磁盘缓存的任务，而查询磁盘缓存任务完成过后需要反馈给用户。

图片解压属于 CPU 密集型线程，查询磁盘缓存属于 IO 密集型线程，而后者需要反馈给用户更加紧急，所以应该让图片解压线程的优先级低一点，查询磁盘缓存的线程优先级高一点。

值得注意的是，这里是说大量的异步任务，意味着 CPU 很有可能满负荷运算，若 CPU 资源绰绰有余的情况下就没那个必要去处理优先级问题。

3、主线程任务的优化

有些业务只能写在主线程，比如 UI 类组件的初始化及其布局。其实这方面的优化就比较多了，业界所说的性能优化大部分都是为了减轻主线程的压力，似乎有些偏离了多线程优化的范畴了，下面就基于主线程任务的管理大致罗列几点吧：

• 内存复用

通过内存复用来减少开辟内存的时间消耗，这在系统 UI 类组件中应用广泛，比如 UITableViewCell 的复用。同时，减少开辟内存意味着减少了内存释放，同样能节约 CPU 资源。

• 懒加载任务

既然 UI 组件必须在主线程初始化，那么就需要用时再初始化吧，swift 的写时复制也是类似的思路。

• 任务拆分排队执行

通过监听 Runloop 即将结束等通知，将大量的任务拆分开来，在每次 Runloop 循环周期执行少量任务。其实在实践这种优化思路之前，应该想想能不能将任务放到异步线程，而不是用这种比较极端的优化手段。

• 主线程空闲时执行任务

三、关于“锁”

多线程会带来线程安全问题，当原子操作不能满足业务时，往往需要使用各种“锁”来保证内存的读写安全。

常用的锁有互斥锁、读写锁、空转锁，通常情况下，iOS 开发中互斥锁pthread_mutex_t、dispatch_semaphore_t，读写锁pthread_rwlock_t就能满足大部分需求，并且性能不错。

在读取锁失败时，线程有可能有两种状态：

• 空转状态：线程执行空任务循环等待，当锁可用时立即获取锁。
• 挂起状态：线程挂起，当锁可用时需要其他线程唤醒。

唤醒线程比较耗时，线程空转需要消耗 CPU 资源并且时间越长消耗越多，由此可知空转适合少量任务、挂起适合大量任务。

实际上互斥锁和读写锁都有空转锁的特性，它们在获取锁失败时会先空转一段时间，然后才会挂起，而空转锁也不会永远的空转，在特定的空转时间过后仍然会挂起，所以通常情况下不用刻意去使用空转锁，Casa Taloyum 在博客中有详细的解释。

1、OSSpinLock 优先级反转问题

优先级反转概念：比如两个线程 A 和 B，优先级 A < B。当 A 获取锁访问共享资源时，B 尝试获取锁，那么 B 就会进入忙等状态，忙等时间越长对 CPU 资源的占用越大；而由于 A 的优先级低于 B，A 无法与高优先级的线程争夺 CPU 资源，从而导致任务迟迟完成不了。解决优先级反转的方法有“优先级天花板”和“优先级继承”，它们的核心操作都是提升当前正在访问共享资源的线程的优先级。

2、避免死锁

很常见的场景是，同一线程重复获取锁导致的死锁，这种情况可以使用递归锁来处理，pthread_mutex_t使用pthread_mutex_init_recursive()方法初始化就能拥有递归锁的特性。

使用pthread_mutex_trylock()等尝试获取锁的方法能有效的避免死锁的情况

3、最小化加锁任务

开发者应该充分的理解业务，将锁包含的代码区域尽量缩小，不会出现线程安全问题 的代码就不要用锁来保护了，这样才能提高并发时锁的性能。

4、时刻注意不可重入方法的安全

当一个方法是可重入的时候，可以放心大胆的使用，若一个方法不可重入，开发者应该多留意，思考这个方法会不会有多个线程访问的情况，若有就老老实实的加上线程锁。

5、编译器的过度优化

编译器可能会为了提高效率将变量写入寄存器而暂时不写回，方便下次使用，我们知道一句代码转换为指令不止一条，所以在变量写入寄存器没来得及写回的过程中，可能这个变量被其它线程读写了。编译器同样会为了提高效率对它认为顺序无关的指令调换顺序。

以上都可能会导致合理使用锁的地方仍然线程不安全，而volatile关键字就可以解决这类问题，它能阻止编译器为了效率将变量缓存到寄存器而不及时写回，也能阻止编译器调整操作volatile修饰变量的指令顺序。

原子自增函数就有类似的应用： int32_t OSAtomicIncrement32( volatile int32_t *__theValue ) 。

 6、CPU 乱序执行

CPU 也可能为了提高效率而去交换指令的顺序，导致加锁的代码也不安全，解决这类问题可以使用内存屏障，CPU 越过内存屏障后会刷新寄存器对变量的分配。

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