簡單談談iOS多線程之間的通信方式

一、進程與線程

1.1 進程

進程是系統進行資源分配和調度的基本單位，在iOS上，一個App運行起來的實例就是一個進程，每個進程在內存中都有自己獨立的地址段。

1.2 線程

線程是進程的基本執行單元，進程中的所有任務都在線程中執行，因此，一個進程中至少要有一個線程。iOS程序啟動后會默認開啟一個主線程，也叫UI線程。

1.3 進程與線程的關系

• 地址空間：同一進程中的地址空間可以被本進程中的多個線程共享，但進程與進程之間的地址空間是獨立的

• 資源擁有：同一進程中的資源可以被本進程中的所有線程共享，如內存、I/O、CUP等等，但進程與進程之間的資源是相互獨立的

• 一個進程中的任一線程崩潰后，都會導致整個進程崩潰，但進程奔潰后不會影響另一個進程

• 進程可以看做是線程的容器，每個進程都有一個程序運行的入口，但線程不能獨立運行，必須依存於進程

1.4 線程與Runloop的關系

• 線程與Runloop是一一對應的，一個Runloop對應一個核心線程，為什么說是核心，因為Runloop是可以嵌套的，但核心的只有一個，他們的對應關系保存在一個全局字典里
• Runloop是來管理線程的，線程執行完任務時會進入休眠狀態，有任務進來時會被喚醒開始執行任務（事件驅動）

• Runloop在第一次獲取時被創建，線程結束時被銷毀
• 主線程的Runloop在程序啟動時就默認創建好了

• 子線程的Runloop是懶加載的，只有在使用時才被創建，因此在子線程中使用NSTimer時要注意確保子線程的Runloop已創建，否則NSTimer不會生效。

二、多線程

2.1 概念及原理

一個進程中可以並發多個線程同時執行各自的任務，叫做多線程。分時操作系統會把CPU的時間划分為長短基本相同的時間區間，叫“時間片”，在一個時間片內，CPU只能處理一個線程中的一個任務，對於一個單核CPU來說，在不同的時間片來執行不同線程中的任務，就形成了多個任務在同時執行的“假象”：



上圖中，CPU在時間片t3開始執行線程3中的任務，但任務還沒執行完，來到了t4，開始執行線程4中的任務，在t4這個時間片內就執行完了線程4的任務，到t5時接着執行線程3的任務。
現在都是多核CPU，每個核心都可以單獨處理任務，實現“真正”的多線程，但是一個App動輒幾十個並發線程，那么每個核心仍然以上述原理實現多線程。

2.2 iOS中的幾種多線程

在iOS中，有下列幾種多線程的使用方式：

1. pthread：即POSIX Thread，縮寫稱為Pthread，是線程的POSIX標准，是一套通用的多線程API，可以在Unix/Linux/Windows等平台跨平台使用。iOS中基本不使用。

2. NSThread：蘋果封裝的面向對象的線程類，可以直接操作線程，比起GCD，NSThread效率更高，由程序員自行創建，當線程中的任務執行完畢后，線程會自動退出，程序員也可手動管理線程的生命周期。使用頻率較低。

3. GCD：全稱Grand Central Dispatch，由C語言實現，是蘋果為多核的並行運算提出的解決方案，CGD會自動利用更多的CPU內核，自動管理線程的生命周期，程序員只需要告訴GCD需要執行的任務，無需編寫任何管理線程的代碼。GCD也是iOS使用頻率最高的多線程技術。

4. NSOperation：基於GCD封裝的面向對象的多線程技術，常配合NSOperationQueue使用，使用頻率較高。

三、線程池

• 線程池（Thread Pool）
  顧名思義就是一個管理多個線程生命周期的池子。iOS開發中不會直接接觸到線程池，這是因為GCD已經包含了線程池的管理，我們只需要通過GCD獲取線程來執行任務即可。

• 線程的生命周期
  一個線程的生命周期包括創建--就緒--運行--死亡這四個階段，我們可以通過阻塞、退出等來控制線程的生命周期。

四、線程間的通訊

4.1 幾種線程間的通訊方式

在面試中，經常被面試官問到線程間是如何通訊的，很多童鞋會回答在子線程獲取數據，切換回主線程刷新UI，那么請你回家等消息。蘋果的官方文檔給我們列出了線程間通訊的幾種方式：



上圖的表格是按照技術復雜度由低到高順序排列的，其中后兩種只能在OS X中使用。

• Direct messaging：這是大家非常熟悉的-performSelector:系列。

• Global variables...：直接通過全局變量、共享內存等方式，但這種方式會造成資源搶奪，涉及到線程安全問題。

• Conditions：一種特殊的鎖--條件鎖，當使用條件鎖使一個線程等待（wait）時，該線程會被阻塞並進入休眠狀態，在另一個線程中對同一個條件鎖發送信號（single），則等待中的線程會被喚醒繼續執行任務。

• Run loop sources：通過自定義Run loop sources來實現，后面的文章會單獨研究Run loop。

• Ports and sockets：通過端口和套接字來實現線程間通訊。

4.2 線程間通訊示例

前兩種我們太熟悉了，第三種條件鎖使用起來也不難，這里通過Port來實現一個線程間通訊的Demo。
新建一個iOS工程，新建類AvatarDownloader，模擬一個子線程中下載頭像，主線程刷新UI的過程

// AvatarDownloader.h
extern NSString * const AvatarDownloaderUrlKey;

extern NSString * const AvatarDownloaderPortKey;

@interface AvatarDownloader : NSObject

- (void)downloadAvatarInfo:(NSDictionary *)info;

@end

// AvatarDownloader.m
NSString * const AvatarDownloaderUrlKey = @"Url";

NSString * const AvatarDownloaderPortKey = @"Port";

@interface AvatarDownloader ()<NSMachPortDelegate>

@property (nonatomic, strong) NSPort *completePort;

@property (nonatomic, strong) NSMachPort *downloaderPort;

@end

@implementation AvatarDownloader

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.downloaderPort = [[NSMachPort alloc] init];
        self.downloaderPort.delegate = self;
    }
    return self;
}

- (void)downloadAvatarInfo:(NSDictionary *)info {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"download thread: %@", [NSThread currentThread]);
        NSString *url = info[AvatarDownloaderUrlKey];
        NSLog(@"download url: %@", url);
        self.completePort = info[AvatarDownloaderPortKey];
        
        // 模擬下載
        sleep(2);
        UIImage *img = [UIImage imageNamed:@"avatar.jpg"];
        NSData *data = UIImageJPEGRepresentation(img, 1);
        NSLog(@"download complete");
        
        NSMutableArray *components = @[data].mutableCopy;
        [self.completePort sendBeforeDate:[NSDate date]
                                    msgid:1
                               components:components
                                     from:self.downloaderPort
                                 reserved:0];
    }
}

#pragma mark - NSMachPortDelegate
- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message {
    NSLog(@"downloader handlePortMessage: %@", [NSThread mainThread]);
    NSArray *components = [(id)message valueForKey:@"components"];
    NSData *data = components[0];
    NSString *msg = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"response msg from receiver: %@", msg);
}

根控制器代碼如下：

// ViewController.m
#import "ViewController.h"
#import "AvatarDownloader.h"

NSString * const AVATAR_URL = @"http://img3.imgtn.bdimg.com/it/u=1559309274,2399850183&fm=26&gp=0.jpg";

@interface RootViewController ()<NSMachPortDelegate>

@property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *imageView;

@property (nonatomic, strong) NSMachPort *mainPort;

@property (nonatomic, strong) AvatarDownloader *downloader;

@end

@implementation RootViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // 創建Port對象，並添加到主線程的Runloop中
    self.mainPort = [[NSMachPort alloc] init];
    self.mainPort.delegate = self;
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:self.mainPort forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    
    NSDictionary *info = @{AvatarDownloaderUrlKey : AVATAR_URL,
                           AvatarDownloaderPortKey : self.mainPort};
    
    self.downloader = [[AvatarDownloader alloc] init];
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadAvatarInfo:)
                             toTarget:self.downloader
                           withObject:info];
}

#pragma mark - NSPortDelegate
- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message {
    NSLog(@"handlePortMessage: %@", [NSThread currentThread]);
    NSArray *array = [(id)message valueForKey:@"components"];
    NSData *data = array[0];
    UIImage *avatar = [UIImage imageWithData:data];
    self.imageView.image = avatar;
    
    NSData *responseMsg = [@"頭像已收到" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSMutableArray *components = @[responseMsg].mutableCopy;
    NSPort *remotePort = [(id)message valueForKey:@"remotePort"];
    
    // downloader線程已銷毀，因此要給remotePort發消息，就得把它添加到存活的runloop中
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:remotePort forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    
    [remotePort sendBeforeDate:[NSDate date]
                         msgid:2
                    components:components
                          from:self.mainPort
                      reserved:0];
}

@end

NSPort的使用要點：

1. NSPort對象必須添加到要接收消息的線程的Runloop中

2. 接收消息的對象實現NSPortDelegate協議的-handlePortMessage:方法來獲取消息內容

運行程序后，控制台輸出如下：

2020-02-23 00:11:43.448999+0800 TestObjC[3140:208871] download thread: <NSThread: 0x600001e1e740>{number = 6, name = (null)}
2020-02-23 00:11:43.449342+0800 TestObjC[3140:208871] download url: http://img3.imgtn.bdimg.com/it/u=1559309274,2399850183&fm=26&gp=0.jpg
2020-02-23 00:11:45.486259+0800 TestObjC[3140:208871] download complete
2020-02-23 00:11:45.486600+0800 TestObjC[3140:208701] handlePortMessage: <NSThread: 0x600001e49e00>{number = 1, name = main}
2020-02-23 00:11:45.492472+0800 TestObjC[3140:208701] downloader handlePortMessage: <NSThread: 0x600001e49e00>{number = 1, name = main}
2020-02-23 00:11:45.492666+0800 TestObjC[3140:208701] response msg from receiver: 頭像已收到

代碼中首先將self.mainPort添加到主線程的Runloop中，然后起新線程下載頭像，下載完成后通過mainPort發送消息，此時並沒有手動切換線程，但是controller中的回調卻是在主線程中的，如此便完成了線程間的通訊。