iOS多線程——pthread、NSThread 一、pthread 二、NSThread 三、線程狀態

一、pthread

1.1 pthread簡介

        pthread 是一套通用的多線程的 API，可以在Unix / Linux / Windows 等系統跨平臺使用，使用 C 語言編寫，需要程序員自己管理線程的生命週期，使用難度較大，我們在 iOS 開發中幾乎不使用 pthread，但是還是來可以瞭解一下的。

1.2 應用實例

// 1. 創建線程: 定義一個pthread_t類型變量
pthread_t thread;
// 2. 開啓線程: 執行任務
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 3. 設置子線程的狀態設置爲 detached，該線程運行結束後會自動釋放所有資源
pthread_detach(thread);

void * run(void *param)    // 新線程調用方法，裏邊爲需要執行的任務
{
  NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
  return NULL;
}

1.3 pthread其他方法

• pthread_create() 創建一個線程
• pthread_exit() 終止當前線程
• pthread_cancel() 中斷另外一個線程的運行
• pthread_join() 阻塞當前的線程，直到另外一個線程運行結束
• pthread_attr_init() 初始化線程的屬性
• pthread_attr_setdetachstate() 設置脫離狀態的屬性（決定這個線程在終止時是否可以被結合）
• pthread_attr_getdetachstate() 獲取脫離狀態的屬性
• pthread_attr_destroy() 刪除線程的屬性
• pthread_kill() 向線程發送一個信號

二、NSThread

2.1 基礎

        NSThread 是蘋果官方提供的，使用起來比 pthread 更加面向對象，簡單易用，可以直接操作線程對象。不過也需要需要程序員自己管理線程的生命週期(主要是創建)，我們在開發的過程中偶爾使用 NSThread。比如我們會經常調用[NSThread currentThread]來顯示當前的進程信息。

  // 創建並啓動線程 1    線程創建後需要手動啓動
  NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"thread 1 %@", [NSThread currentThread]);
        [NSThread sleepForTimeInterval:10];
        NSLog(@"thread 2 %@", [NSThread currentThread]);
  }];
    
  [thread start];

  // 創建並啓動線程 2     線程創建後自動啓動
  [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        NSLog(@"thread 1 %@", [NSThread currentThread]);
        [NSThread sleepForTimeInterval:10];
        NSLog(@"thread 2 %@", [NSThread currentThread]);
    }];

  // 創建並啓動線程 3   隱式創建線程
  [self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];
  - (void)run {
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
  }

  /* -------------------- 線程方法 ----------------------- */

  // 獲得主線程
  + (NSThread *)mainThread;                                        

  // 判斷是否爲主線程(對象方法)
  - (BOOL)isMainThread;

  // 判斷是否爲主線程(類方法)
  + (BOOL)isMainThread;

  // 獲得當前線程
  NSThread *current = [NSThread currentThread];       

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

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

  // 線程進入就緒狀態 -> 運行狀態。當線程任務執行完畢，自動進入死亡狀態
  - (void)start;                                                                

  // 線程進入阻塞狀態
  + (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
  + (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;

  // 線程進入死亡狀態
  + (void)exit;

  // 設置線程優先級
  + (double)threadPriority;
  + (BOOL)setThreadPriority:(double)p;
  @property double threadPriority

  // 獲得調用堆棧
  [NSThread callStackSymbols]

  // 堆棧大小
  @property NSUInteger stackSize

  // 狀態
  @property (readonly, getter=isExecuting) BOOL executing
  @property (readonly, getter=isFinished) BOOL finished
  @property (readonly, getter=isCancelled) BOOL cancelled

  /* -------------------- 線程通信方法 ----------------------- */

  // 在主線程上執行操作
  - (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

  // 在指定線程上執行操作
  - (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array;
  - (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

  // 在當前線程上執行操作，調用 NSObject 的 performSelector:相關方法
  - (id)performSelector:(SEL)aSelector;
  - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
  - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

  /* -------------------- 線程應用實例 ----------------------- */

  // 創建一個線程下載圖片
  - (void)downloadImageOnSubThread {
    // 在創建的子線程中調用downloadImage下載圖片
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
  }

  // 下載圖片，下載完之後回到主線程進行 UI 刷新
  - (void)downloadImage {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);

    // 1. 獲取圖片 imageUrl
    NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];

    // 2. 從 imageUrl 中讀取數據(下載圖片) -- 耗時操作
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
    // 通過二進制 data 創建 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];

    // 3. 回到主線程進行圖片賦值和界面刷新
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

  // 回到主線程進行圖片賦值和界面刷新
  - (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    // 賦值圖片到imageview
    self.imageView.image = image;
  }

2.2 線程同步與安全

        線程安全：如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，而且其他的變量的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。若每個線程中對全局變量、靜態變量只有讀操作，而無寫操作，一般來說，這個全局變量是線程安全的；若有多個線程同時執行寫操作（更改變量），一般都需要考慮線程同步，否則的話就可能影響線程安全。
        線程同步：可理解爲線程 A 和 線程 B 一塊配合，A 執行到一定程度時要依靠線程 B 的某個結果，於是停下來，示意 B 運行；B 依言執行，再將結果給 A；A 再繼續操作。舉個簡單例子就是：兩個人在一起聊天。兩個人不能同時說話，避免聽不清(操作衝突)。等一個人說完(一個線程結束操作)，另一個再說(另一個線程再開始操作)。
        下面，我們模擬火車票售賣的方式，實現 NSThread 線程安全和解決線程同步問題。場景：總共有50張火車票，有兩個售賣火車票的窗口，一個是北京火車票售賣窗口，另一個是上海火車票售賣窗口。兩個窗口同時售賣火車票，賣完爲止。

   
  // 初始化火車票數量、賣票窗口(非線程安全)、並開始賣票
- (void)initTicketStatusNotSave {
    // 1. 設置剩餘火車票爲 50
    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 2. 設置北京火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火車票售票窗口";

    // 3. 設置上海火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火車票售票窗口";

    // 4. 開始售賣火車票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
}

  // 售賣火車票(非線程安全)
- (void)saleTicketNotSafe {
  while (1) {
    //如果還有票，繼續售賣
    if (self.ticketSurplusCount > 0) {
      self.ticketSurplusCount --;
      NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩餘票數：%ld 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
      [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
    } else {
      //如果已賣完，關閉售票窗口
      NSLog(@"所有火車票均已售完");
      break;
    }
  }
}

// 2021-08-27 08:38:37.998659+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：48 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:37.998664+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：49 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.202168+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：47 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.202174+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：47 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.405380+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：46 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.405380+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：46 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.609846+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：45 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.609855+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：44 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.814279+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：43 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:38.814296+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：42 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.016577+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：41 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.016582+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：40 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.217014+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：38 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.217022+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：39 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.420525+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：36 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.420525+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：37 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.624553+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：34 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.624553+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：35 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.826695+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：33 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:39.829234+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：32 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.031029+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：31 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.033653+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：30 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.233751+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：29 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.236401+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：28 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.433998+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：27 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.439438+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：26 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.636023+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：25 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.643344+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：24 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.839279+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：23 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:40.847018+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：22 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.044288+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：21 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.049478+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：20 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.247068+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：19 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.250328+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：18 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.450656+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：17 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.450668+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：16 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.655868+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：14 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.655867+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：15 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.856265+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：13 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:41.856270+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：12 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.061444+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：11 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.061444+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：10 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.264248+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：9 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.264268+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：8 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.468284+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：7 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.468284+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：6 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.672347+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：5 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.672347+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：4 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.876696+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：3 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:42.876696+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：3 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:43.080385+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：1 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:43.080385+0800 ios-oc[83423:1721529] 剩餘票數：2 窗口：北京火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:43.282828+0800 ios-oc[83423:1721529] 所有火車票均已售完
// 2021-08-27 08:38:43.282831+0800 ios-oc[83423:1721530] 剩餘票數：0 窗口：上海火車票售票窗口
// 2021-08-27 08:38:43.482986+0800 ios-oc[83423:1721530] 所有火車票均已售完

// 可以看到上述代碼多賣票了，所以其不是線程安全的

        線程安全解決方案：可以給線程加鎖，在一個線程執行該操作的時候，不允許其他線程進行操作。iOS 實現線程加鎖有很多種方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/get等等各種方式。爲了簡單起見，這裏不對各種鎖的解決方案和性能做分析，只用最簡單的@synchronized來保證線程安全，從而解決線程同步問題。

// 初始化火車票數量、賣票窗口(非線程安全)、並開始賣票
- (void)initTicketStatusNotSave {
    // 1. 設置剩餘火車票爲 50
    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 2. 設置北京火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火車票售票窗口";

    // 3. 設置上海火車票售賣窗口的線程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火車票售票窗口";

    // 4. 開始售賣火車票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
}

  // 售賣火車票(非線程安全)
- (void)saleTicketNotSafe {
  while (1) {
  @synchronized (self) {
    //如果還有票，繼續售賣
      if (self.ticketSurplusCount > 0) {
        self.ticketSurplusCount --;
        NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩餘票數：%ld 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
        [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
      } else {
        //如果已賣完，關閉售票窗口
        NSLog(@"所有火車票均已售完");
        break;
      }
    }
  }
}

2021-08-27 08:43:58.000427+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：49 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:58.205559+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：48 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:58.409971+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：47 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:58.612661+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：46 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:58.814876+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：45 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:59.019160+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：44 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:59.219412+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：43 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:59.423449+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：42 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:59.626067+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：41 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:43:59.829694+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：40 窗口：北京火車票售票窗口
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2021-08-27 08:44:07.112881+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：4 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:44:07.316817+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：3 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:44:07.519362+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：2 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:44:07.723270+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：1 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:44:07.923510+0800 ios-oc[83569:1726590] 剩餘票數：0 窗口：北京火車票售票窗口
2021-08-27 08:44:08.123765+0800 ios-oc[83569:1726590] 所有火車票均已售完
2021-08-27 08:44:08.123993+0800 ios-oc[83569:1726591] 所有火車票均已售完

// 可以看出，在考慮了線程安全的情況下，加鎖之後，得到的票數是正確的，沒有出現混亂的情況。我們也就解決了多個線程同步的問題。

三、線程狀態

        當我們新建一條線程NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];，在內存中的表現爲：

        當調用[thread start];後，系統把線程對象放入可調度線程池中，線程對象進入就緒狀態，如下圖所示。

        當然，可調度線程池中，會有其他的線程對象，如下圖所示。在這裏我們只關心左邊的線程對象。

        下邊我們來看看當前線程的狀態轉換。

• 如果CPU現在調度當前線程對象，則當前線程對象進入運行狀態，如果CPU調度其他線程對象，則當前線程對象回到就緒狀態。
• 如果CPU在運行當前線程對象的時候調用了sleep方法\等待同步鎖，則當前線程對象就進入了阻塞狀態，等到sleep到時\得到同步鎖，則回到就緒狀態。

• 如果CPU在運行當前線程對象的時候線程任務執行完畢\異常強制退出，則當前線程對象進入死亡狀態。
          只看文字可能不太好理解，具體當前線程對象的狀態變化如下圖所示。

  
  

備註
1、非本人原創，爲了學習閱讀並加入了部分修改，原文鏈接：https://bujige.net/blog/iOS-Complete-learning-pthread-and-NSThread.html
2、感謝作者！