探索Objective-C底层 - 多线程介绍

引言

在当今的软件开发领域，多线程编程已经成为提升应用性能和响应能力的关键技术。在iOS开发中，合理运用多线程能够显著优化用户体验，避免主线程阻塞，实现高效的数据处理和界面交互。本文将深入探讨Objective - C中的多线程编程，涵盖进程与线程的基本概念、CPU与多线程的关系、常见多线程方案以及线程的生命周期等内容，并通过实际例子进行详细说明。

一、进程与线程

1.1 进程

进程是程序在操作系统中的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都有自己独立的内存空间、系统资源和执行上下文。例如，当我们打开一个iOS应用时，操作系统会为该应用创建一个进程，这个进程包含了应用运行所需的所有资源，如代码段、数据段、堆、栈等。

1.2 线程

线程是进程中的一个执行单元，是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但每个线程都有自己独立的栈空间和执行上下文。线程可以并行执行，从而提高程序的执行效率。例如，在一个音乐播放应用中，主线程负责处理用户界面的交互，而一个子线程可以负责从网络下载音乐文件，另一个子线程可以负责解码和播放音乐。

1.3 进程与线程的关系

• 一个进程可以包含多个线程，但至少有一个主线程。
• 线程是进程的一部分，依赖于进程而存在。
• 进程之间相互独立，拥有各自的资源；而线程之间共享进程的资源，但有自己独立的栈空间。

二、CPU与多线程

2.1 CPU核心数与线程

CPU的核心数决定了它能够同时执行的线程数量。例如，一个双核CPU可以同时执行两个线程，而一个四核CPU可以同时执行四个线程。当线程数量超过CPU核心数时，CPU会通过时间片轮转的方式在不同线程之间进行切换，从而实现多线程的并发执行。

2.2 并行与并发

• 并行：指多个线程在同一时刻同时执行，需要多核CPU的支持。例如，一个四核CPU可以同时并行执行四个线程。
• 并发：指多个线程在一段时间内交替执行，通过CPU的时间片轮转实现。即使在单核CPU上，也可以实现多线程的并发执行。

2.3 多线程的优势

• 提高程序性能：通过并行或并发执行多个线程，可以充分利用CPU的资源，提高程序的执行效率。
• 增强用户体验：避免主线程阻塞，确保界面的流畅性和响应性。例如，在进行网络请求或文件处理时，可以将这些耗时操作放在子线程中执行，避免影响主线程的界面绘制和用户交互。

三、常见的多线程方案

3.1 NSThread

NSThread 是Objective - C中最基础的多线程方案，它代表一个线程对象。我们可以通过创建 NSThread 对象并启动它来开启一个新的线程。

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#import <Foundation/Foundation.h>

// 线程执行的方法
- (void)threadMethod {
    NSLog(@"Current thread: %@", [NSThread currentThread]);
    // 模拟耗时操作
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        // 执行一些任务
    }
    NSLog(@"Thread task finished");
}

// 创建并启动线程
- (void)startNSThread {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadMethod) object:nil];
    [thread start];
}

3.2 NSOperationQueue

NSOperationQueue 是基于 NSOperation 的高级多线程方案，它提供了更强大的任务管理和调度功能。NSOperation 是一个抽象类，我们可以使用它的子类 NSInvocationOperation 或 NSBlockOperation 来封装任务，然后将任务添加到 NSOperationQueue 中执行。

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#import <Foundation/Foundation.h>

- (void)startOperationQueue {
    // 创建操作队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 创建操作
    NSBlockOperation *operation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"Current thread: %@", [NSThread currentThread]);
        // 模拟耗时操作
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            // 执行一些任务
        }
        NSLog(@"Operation task finished");
    }];

    // 将操作添加到队列中
    [queue addOperation:operation];
}

3.3 GCD（Grand Central Dispatch）

GCD 是苹果公司提供的一种基于C语言的多线程技术，它是一种高效的任务调度机制，能够自动管理线程的生命周期和资源。GCD 提供了全局队列和自定义队列，我们可以将任务以块（block）的形式提交到队列中执行。

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#import <Foundation/Foundation.h>

- (void)startGCD {
    // 获取全局队列
    dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

    // 提交任务到全局队列
    dispatch_async(globalQueue, ^{
        NSLog(@"Current thread: %@", [NSThread currentThread]);
        // 模拟耗时操作
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            // 执行一些任务
        }
        NSLog(@"GCD task finished");

        // 回到主线程更新UI
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            NSLog(@"Back to main thread: %@", [NSThread currentThread]);
        });
    });
}

四、线程的生命周期

4.1 创建

线程的生命周期从创建开始。在上述的多线程方案中，我们可以通过不同的方式创建线程。例如，使用 NSThread 的 initWithTarget:selector:object: 方法创建一个新的线程对象，使用 NSOperationQueue 或 GCD 时，任务会被封装在操作或块中，由系统自动创建和管理线程。

4.2 就绪

线程创建后，会进入就绪状态，等待CPU的调度。在这个状态下，线程已经准备好执行，但还没有获得CPU的执行权。

4.3 运行

当CPU调度到该线程时，线程进入运行状态，开始执行任务。在运行过程中，线程会占用CPU的资源，执行相应的代码逻辑。

4.4 阻塞

线程在执行过程中可能会因为某些原因进入阻塞状态，例如等待I/O操作完成、等待锁的释放等。在阻塞状态下，线程会暂停执行，释放CPU资源，直到满足特定条件后再进入就绪状态。

4.5 终止

线程执行完任务后，会进入终止状态，释放占用的资源。线程也可以因为异常或被强制终止而提前结束生命周期。

以下是一个简单的示例，展示线程的生命周期：

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#import <Foundation/Foundation.h>

- (void)threadLifecycleExample {
    // 创建线程
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadTask) object:nil];

    // 启动线程，进入就绪状态
    [thread start];

    // 等待线程执行完成
    [thread join];

    NSLog(@"Thread terminated");
}

- (void)threadTask {
    NSLog(@"Thread started");
    // 模拟耗时操作
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        // 执行一些任务
    }
    NSLog(@"Thread task completed");
}

五、总结

多线程编程是iOS开发中不可或缺的一部分，通过合理运用多线程技术，可以提高应用的性能和用户体验。本文介绍了进程与线程的基本概念、CPU与多线程的关系、常见的多线程方案以及线程的生命周期，并通过实际例子进行了详细说明。在实际开发中，我们需要根据具体的需求和场景选择合适的多线程方案，并注意线程安全和资源管理等问题。

希望本文能帮助你更好地理解Objective - C中的多线程编程，如果你有任何疑问或建议，欢迎在评论区留言。

参考资料：

• Apple Developer Documentation - Concurrency Programming Guide
• Objective - C Programming: The Big Nerd Ranch Guide