iOS 多线程：「pthread、NSThread」详尽总结

2018-01-26

7.431k 字 | 25 分钟

本文用来介绍 iOS 多线程中，pthread、NSThread 的使用方法及实现。
第一部分：pthread 的使用、其他相关方法。
第二部分：NSThread 的使用、线程相关用法、线程状态控制方法、线程之间的通信、线程安全和线程同步，以及线程的状态转换相关知识。

文中 Demo 我已放在了 Github 上，Demo 链接：传送门

1. pthread

1.1 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，我们在 iOS 开发中几乎不使用 pthread，但是还是来可以了解一下的。

引自百度百科
POSIX 线程（POSIX threads），简称 Pthreads，是线程的 POSIX 标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套 API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用 Pthreads 作为操作系统的线程。Windows 操作系统也有其移植版 pthreads-win32。

引自维基百科
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。

1.2 pthread 使用方法

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

// 1. 创建线程: 定义一个pthread_t类型变量
pthread_t thread;
// 2. 开启线程: 执行任务
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 3. 设置子线程的状态设置为 detached，该线程运行结束后会自动释放所有资源
pthread_detach(thread);

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

    return NULL;
}

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

1.3 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。

下边我们说说 NSThread 如何使用。

2.1 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]);
}

2.2 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;

2.3 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

2.4 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;

下面通过一个经典的下载图片 DEMO 来展示线程之间的通信。具体步骤如下：

开启一个子线程，在子线程中下载图片。
回到主线程刷新 UI，将图片展示在 UIImageView 中。

DEMO 代码如下：

/**
* 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;
}

2.5 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。

2.5.1 NSThread 非线程安全

先来看看不考虑线程安全的代码：

/**
* 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 50
    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 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：%ld 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;
        }
    }
}

运行后部分结果为：

可以看到在不考虑线程安全的情况下，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。

2.5.2 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。

考虑线程安全的代码：

/**
* 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 50
    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 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：%ld 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;
            }
        }
    }
}

运行后结果为：

省略一部分结果图。。。

可以看出，在考虑了线程安全的情况下，加锁之后，得到的票数是正确的，没有出现混乱的情况。我们也就解决了多个线程同步的问题。

2.6 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。

只看文字可能不太好理解，具体当前线程对象的状态变化如下图所示。

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本文作者： 程序员充电站
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iOS 多线程：「pthread、NSThread」详尽总结

1. pthread

1.1 pthread 简介

1.2 pthread 使用方法

1.3 pthread 其他相关方法

2. NSThread

2.1 创建、启动线程

2.2 线程相关用法

2.3 线程状态控制方法

2.4 线程之间的通信

2.5 NSThread 线程安全和线程同步

2.5.1 NSThread 非线程安全

2.5.2 NSThread 线程安全

2.6 线程的状态转换

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2.4 线程之间的通信

2.5 NSThread 线程安全和线程同步

2.5.1 NSThread 非线程安全

2.5.2 NSThread 线程安全

2.6 线程的状态转换

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