iOS底层原理系列04-并发编程

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于 2025-03-14 18:15:26 发布 · 1.1k 阅读

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#ios #cocoa #macos

在移动应用开发中，流畅的用户体验至关重要，而并发编程是实现这一目标的关键技术。本文将深入探讨iOS平台上的并发编程和多线程架构，帮助你构建高性能、响应迅速的应用程序。

1. iOS线程调度机制

1.1 线程本质和iOS线程调度机制

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以拥有多个线程，每个线程共享进程的资源，但拥有自己的执行路径。

在iOS系统中，线程调度由系统内核负责，通过优先级队列和时间片轮转算法确定线程的执行顺序和执行时长。苹果对标准的线程模型进行了优化，引入了更高级的抽象，如GCD和Operation，使开发者能够专注于任务本身，而非线程管理的细节。

1.2 并发计算模型中的同步/异步与串行/并行

并发编程中的两组基本概念：同步/异步和串行/并行。这两组概念看似简单，但常被混淆，它们实际上描述了两个不同的维度。

同步/异步的本质

同步(Synchronous)与异步(Asynchronous)描述的是调用方式，关注的是线程的等待方式。

同步调用：调用者会一直等待被调用的任务完成后，才继续执行后续代码。调用者线程在任务执行期间处于阻塞状态。
异步调用：调用者不会等待被调用的任务完成，会立即继续执行后续代码。任务的完成通常通过回调、通知或其他机制通知调用者。

串行/并行的本质

**串行(Serial)与并行(Concurrent)**描述的是任务的执行方式，关注的是多个任务之间的关系。

串行执行：多个任务按顺序依次执行，任何时刻只有一个任务在执行。
并行执行：多个任务可以同时执行，任务之间相互独立，各自在不同的线程上执行。

同步/异步与串行/并行排列组合的调度机制和执行效果

这两组概念可以组合出四种不同的调度情况，下面我们详细分析每种组合的调度机制和执行效果。

在这里插入图片描述

1. 同步 + 串行

调度机制：任务在当前线程上按顺序执行
执行效果：调用者线程被阻塞，直到所有任务完成

2. 同步 + 并行

调度机制：任务被分配到多个线程并发执行
执行效果：调用者线程仍然被阻塞，直到所有任务完成
注意：这种组合在实际中较少使用，因为即使任务并行执行，调用者仍需等待所有任务完成，无法充分利用并行的优势

3. 异步 + 串行

调度机制：任务在另一个线程上按顺序执行
执行效果：调用者线程立即返回继续执行后续代码，不会被阻塞

4. 异步 + 并行

调度机制：任务被分配到多个线程并发执行
执行效果：调用者线程立即返回继续执行后续代码，不会被阻塞，同时多个任务可以同时执行，充分利用多核处理器性能

这四种组合方式构成了iOS多线程编程的基础模型，也是理解GCD和NSOperation等高级API的关键。

2. iOS线程方案

iOS提供了多种多线程编程方案，从底层的pthread到高级的GCD和NSOperation，为开发者提供了灵活的选择。

2.1 pthread

pthread(POSIX thread)是一套跨平台的线程API标准，iOS也支持这一标准。它比NSThread更底层，提供了更多的控制选项。

#import <pthread.h>

// 创建线程
pthread_t thread;
pthread_create(&thread, NULL, ThreadFunction, NULL);

// 线程函数
void *ThreadFunction(void *data) {
   
   
    // 执行任务
    NSLog(@"任务在pthread中执行");
    return NULL;
}

// 等待线程结束
pthread_join(thread, NULL);

优点：

跨平台兼容性好
控制粒度更细
可以设置线程的各种属性

缺点：

API复杂，使用不便
需要手动管理线程的各个方面
缺乏Objective-C与iOS集成的便利特性

2.2 NSThread

NSThread是Objective-C中最基本的线程类，它是对pthread的面向对象封装，提供了创建和管理线程的基本功能。

// 创建并启动线程
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self 
                                           selector:@selector(doSomething:) 
                                             object:nil];
thread.name = @"MyCustomThread";
[thread start];

// 或者使用类方法创建并自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(doSomething:) 
                         toTarget:self 
                       withObject:nil];

优点：

简单直观，面向对象的API
可以直接控制线程的生命周期

缺点：

需要手动管理线程生命周期
缺乏高级特性，如线程池、任务依赖等
线程创建和销毁的开销较大

2.3 GCD

GCD是一个强大的并发编程框架，通过任务和队列的概念简化了多线程编程。GCD的核心思想是让开发者关注"做什么"而不是"怎么做"。
在这里插入图片描述

2.3.1 GCD的核心概念：

队列(Queue)：负责存储和管理任务。

串行队列(Serial Queue)：按顺序执行任务。
并行队列(Concurrent Queue)：可以同时执行多个任务。
主队列(Main Queue)：在主线程上执行任务，通常用于UI更新。

任务(Task)：以Block(代码块)形式提交到队列。

调度方式：

同步调度(sync)：等待任务完成后返回。
异步调度(async)：提交任务后立即返回。

下面是GCD的常见用法示例：

// 获取全局并行队列
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

// 异步执行任务
dispatch_async(globalQueue, ^{
   
   
    // 耗时操作
    NSData *data = [self fetchDataFromServer];
    
    // 在主队列更新UI
    dispatch_async(