多執行緒

執行緒的基本概念

執行緒 （thread）是行程（process）A 內假想的持有 CPU 使用權的執行單位，一般情況下，一個行程 只有一個執行緒，但也可以創建多個執行緒并在行程中并行執行，應用在執行某一處理的同時，還可以 接收 GUI 的輸入，

使用多執行緒的程式稱為 多執行緒 （multithread）運行，從程式開始執行時就運行的執行緒稱為 主執行緒 ， 除此之外，之后生成的執行緒稱為次執行緒（secondary thread）或子執行緒（subthread），

創建執行緒時，創建方的執行緒為父執行緒，被創建方的執行緒為子執行緒，父執行緒和子執行緒并行執行各
自的處理，但父執行緒可以等到子執行緒執行終止后與其會合（join），而另一方面，在執行緒被創建后， 也可以切斷父子關系指定它們不進行會合，該操作稱為 分離 （detach），這里所說的 NSThread 就是在 分離狀態下創建執行緒，

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由于被創建的執行緒共享行程的地址空間，所以能夠自由訪問行程的空間變數，多執行緒訪問的變數稱為 共享變數 （shared variable） ，共享變數大多為全域變數或靜態變數，但因為地址空間是共享的， 所以理論上所有記憶體區域都可以稱為共享變數，

如果多執行緒胡亂訪問共享變數，那么就不能保證變數值的正確性，所以有時就需要按照一定的 規則使多執行緒可以協調動作，此時就必須執行執行緒間 互斥 （或者排他控制，mutual exclusion）（見 ， 各個執行緒都分配有堆疊且獨立進行管理，基本上不能訪問其他執行緒的堆疊內的變數（自動變數），通 過遵守這樣的編程方式，就可以自由訪問方法或函式的自動變數，而且不用擔心互斥，

使用參考計數管理方式時，為了使物件之間解耦合，子執行緒方需要創建與父執行緒不同的自動釋
放池來管理，使用垃圾回收時不需要這樣，

A　任務（task）這一名稱也被用來表示與行程同樣的概念，在蘋果公司的檔案“Multithreading Programming Topics”中， 可以包含多執行緒的程式的執行單元稱為行程，而任務則被用來抽象地表示應該進行的作業，

執行緒安全

多個執行緒同時操作某個實體時，如果沒有得到錯誤結果或實體沒有包含不正確的狀態，那么該 類就稱為 執行緒安全 （thread-safe），結果不能保證時，則稱為非執行緒安全或執行緒不安全（thread-unsafe），

一般情況下，常數物件是執行緒安全的，變數物件不是執行緒安全的，常數物件可以在執行緒間安全
地傳遞，但對變數物件共享時，需要恰當地執行互斥或同步切換，

需要注意的是 C 語言的函式，就現狀來看，BSD 函式的大部分，例如 printf() 等，都不是執行緒安 全的，

注意點

在某些情況下，使用多執行緒可以使處理高速化、實作易于使用的介面、使實作更簡單等，但并 不是說使用多執行緒后就一定會得到這些優點，

要想使多執行緒程式不出錯且高效執行，并行編程的知識必不可少，執行緒間的任務分配和資訊交 換、共享資源的互斥、與 GUI 的互動及影片顯示等，在使用時都要特別小心，

一般情況下，自己實作多執行緒程式是很困難的，而且也容易埋下高隱患，稍有差錯或設計失誤，
多 線 程 便 不 能 發 揮 效 果， 甚 至 還 會 導 致 未 知 原 因 的 釋 放 或 異 常 終 止， 使 用 19.3 節 中 介 紹 的 NSOperation，雖然可以較容易地實作多執行緒程式，但是也必須掌握執行緒動作、互斥等相關知識，不 能適應這些的讀者建議去參考一下并行編程的相關書籍，

而且，很多多執行緒中遇見的問題都可以通過 NSTimer 類或延遲訊息發送（參考 15.1 節）來解決， 大家也不妨嘗試一下用這些方法來解決相關問題，

使用　NSThread創建執行緒

Foundation 框架中提供了 NSThread 類來創建并控制執行緒，該類的介面在 Foundation/NSThread.h 中宣告，

創建新執行緒需要執行下面的類方法，

+?(void)?detachNewThreadSelector:?(SEL)?aSelector

toTarget:?(id)?aTarget

withObject: (id)?anArgument

對 物件 aTarget 呼叫方法創建新執行緒并執行，選擇器 aSelector 必須是僅獲取一個 id 型別引數且回傳值 為 void 的執行方法（參考 8.2 節），

指定的方法執行結束后，執行緒也隨之終止，執行緒從最初就被執行了分離，所以終止時沒有和父 執行緒會合，當主執行緒終止時，包含子執行緒的程式也全部隨之終止，

使用參考計數管理（手動及 ARC）時，有時需要執行的方法自身來管理自動釋放池，此外，參 數 aTarget 和 anArgument 中指定的物件也與執行緒同時存在，即在創建執行緒時被保存，在執行緒終止時 被釋放， 使用下述的 NSApplication 類中的方法也能創建執行緒，該方法使用上面的方法，而且在使用參考 計數管理時還會創建執行緒的自動釋放池，

+?(void)?detachDrawingThread:?(SEL)?selector

toTarget:?(id)?target

withObject:?(id)?argument

創建新執行緒并執行的方法除了上述方法還有很多，本書中不再一一介紹，其他方法請參考 NSThread、NSObject 的參考檔案，

程式可以呼叫 NSThread 類方法來確認是否是多執行緒運行， +?(BOOL)?isMultiThreaded   多個執行緒并行執行時或者只有主執行緒在執行時，只要在此之前已經創建了執行緒，則回傳 YES，

當前執行緒

一個執行緒稱自身為 當前執行緒 （current thread），區別于其他執行緒，

子執行緒將創建時指定的方法執行完后也會隨之終止，但也可以中途終止，為此，可以使用當前 執行緒（執行緒自身）來執行下一個 NSThread 類方法，但是，使用參考計數管理時，終止前一定要釋放 自動釋放池， +?(void)?exit

使用下述方法獲得表示執行緒的 NSThread 實體，

+?(NSThread?*)?currentThread

獲 得表示當前執行緒的 NSThread 實體，

+?(NSThread?*)?mainThread

獲 得表示主執行緒的NSThread實體，查看當前執行緒是否為主執行緒時，可以使用類方法isMainThread?， 每個執行緒都可以持有一個該執行緒固有的 NSMutableDictionary 型別的字典，向 NSThread 實體發 送下面的訊息類就可以取得字典，

-?(NSMutableDictionary?*)?threadDictionary

可以使當前執行緒僅被中斷幾秒，為此，可在當前執行緒中執行下面的類方法，引數為實數， +?(void) sleepForTimeInterval: (NSTimeInterval)?ti

也可以使執行緒在某一時刻前中斷，這時可采用下面的類方法，引數是表示日期的類 NSDate 實體， +?(void)?sleepUntilDate:(NSDate?*)?aDate

如果要使執行緒到某個條件成立前一直保持休眠狀態，則要使用下一章節介紹的鎖，

GUI應用和執行緒

在使用 GUI 的應用中，事件處理和繪圖等大部分處理中執行緒都發揮了重要作用，也可以在子線 程中創建表單，或分擔部分繪圖功能，但要注意避免競爭或記憶體泄漏，詳情請參考相關檔案，

GUI 應用中有較容易的方法來使用執行緒，即將 GUI 相關的時間處理或繪圖集中在主執行緒中進行，
使用下面的方法，就可以從子執行緒依賴主執行緒中的方法處理，該方法為 NSOjbect 的范疇，在頭檔案 Foundation/NSThread.h 中宣告，

-?(void)?performSelectorOnMainThread: (SEL)?aSelector

withObject: (id)?arg

waitUntilDone: (BOOL)?wait

選 擇器 aSelector 和引數 arg 中指定的方法的執行依賴于主執行緒，wait 為 YES 時，當前執行緒會一直等待 至執行結束，主執行緒中必須有事件回圈（運行回路），

互斥

需要互斥的例子

在多執行緒環境中，無論哪個函式或方法都可以在多執行緒中同時執行，但是，在使用共享變數時， 或者在執行檔案輸出或繪圖等的情況下，多執行緒同時執行就可能得到奇怪的結果，

例如，使用整數全域變數 totalNumber 來累加所處理的資料的個數，為了執行下面的加法計算， 

在多執行緒環境中執行該方法會得到什么結果呢？

-?(void)addNumber:(NSIngeger)n

{

totalNumber?+=?n;

} 在 OS 功能支持下，執行緒在運行的程序中會時而得到 CPU 的執行權，時而被掛起執行權，2 個 方法的執行情況如圖 19-1 中所示，在該圖中，執行緒 1 將新計算的值保存在暫存器時掛起 CPU 執行 權，同時執行緒 2 開始執行方法，即使 CPU 的執行權被掛起，暫存器的值也仍然可以被保存，所以各 執行緒都能正常處理，但是，由于執行緒 2 寫入的值消失了，因此整體上看，這偏離了我們期待的結果， 原因是值的讀取、更新、寫入操作被多執行緒同時執行了，

在圖 19-1 的例子中，我們將同時只可以由一個執行緒占有并執行的代碼部分稱為臨界區（critical section），或稱為危險區，互斥的目的就是限制可以在臨界區執行的執行緒，

鎖

為了使多個執行緒間可以相互排斥地使用全域變數等共享資源，可以使用NSLock?類，該類的實體 也就是可以調整多執行緒行為的 信號量 （semaphore）或者 互斥型信號量 （mutual exclusion semaphore）， Cocoa 環境中也稱為 鎖 （lock），

鎖具有每次只允許單個執行緒獲得并使用的性質，獲得鎖稱為“加鎖”，釋放鎖稱為“解鎖”，

鎖和普通的實體一樣，使用類方法alloc?和初始化器init?來創建并初始化，但是，鎖應該在程 序開始在多執行緒執行前創建，

NSLock?*countLock?=?[[NSLock?alloc]?init];

獲得鎖的方法和釋放（unlock）鎖的方法都在協議 NSLocking 中定義，

-?(void)?lock   如果鎖正被使用，則執行緒進入休眠狀態，

如果鎖沒有被使用，則將鎖的狀態變為正被使用，執行緒繼續執行，

-?(void)?unlock   將 鎖置為沒有在被使用，此時如果有等待該鎖資源的正在休眠的執行緒，則將其喚醒，

在上例中，使用鎖后會產生如下效果，但需要預先創建 NSLock 的實體 aLock，在該代碼中，從 某執行緒執行 A 取得鎖到該執行緒執行 B 釋放鎖期間，其他執行緒在執行 A 時將進入休眠狀態，不能執 行臨界區代碼，鎖被釋放后，在執行 A 時休眠的執行緒中選擇一個執行緒，該執行緒在取得鎖后進入臨界 區執行，

-?(void)addNumber:(NSIngeger)n { ????[aLock?lock];? ───────────────────────────────────────── ?A ????totalNumber?+=?n;????//?臨界區 ????[aLock?unlock];?──────────────────────────────────────── ?B }

某個鎖被lock?后，必須執行一次unlock?，而且lock?和unlock?必須在同一個執行緒執行 A，

下面來看另外一個使用鎖的例子，考慮一下全域變數值自增時回傳其結果的方法，多執行緒執行 時，全域變數 theCount 若想正確地自增，就需要使用鎖 countLock 來管理，

可以采用如下定義， 

A　lock 和 unlock 必須在同一個執行緒中執行，因為 NSLock 是基于 POSIX 執行緒實作的，

死鎖

執行緒和鎖的關系必須在設計之初就經過仔細的考慮，如果錯誤地使用鎖，不但不能按照預期執 行互斥，還可能使多個執行緒陷入到不能執行的狀態，即死鎖（deadlock）狀態，

死鎖就是多執行緒（或行程）永遠在等待一個不可能實作的條件而無法繼續執行，如圖 19-2 所示， 

執行緒 1 占有檔案 A 并正在進行處理，途中又需要占有檔案 B，而另一方面，執行緒 2 占有著檔案 B，途中又需要占有檔案 A，大家不妨設想一下，如果執行緒 1 和執行緒 2 同時執行到了圖中的箭頭位置 會怎么樣呢？執行緒 1 為了處理檔案 B 想要獲得鎖 lockForB，但是它已經被執行緒 2 獲得，同樣，執行緒 2 想要獲得的鎖 lockForA 也被執行緒 1 占有著，這種情況下，執行緒 1 和執行緒 2 就會同時進入休眠狀態， 而且雙方都不能跳出該狀態，

像這樣，當多個執行緒互相等待資源的釋放時，就非常容易出現死鎖現象，有時是多個執行緒相干預，有時則是一個執行緒因為自己需要獲得鎖而進入休眠狀態，此外，由于多數情況下各個執行緒本身 并沒有錯誤處理，而且死鎖又隨時可能發生，因此追究原因就非常困難，也不能排除導致程式 bug 的可能，

嘗試獲得鎖

NSLock 類不僅能獲得鎖和釋放鎖，還有檢查是否能獲得鎖的功能，利用這些功能，就可以在不 能獲得鎖時進行其他處理，

-?(BOOL)?tryLock

用 接收器嘗試獲得某個鎖，如果可以取得該鎖則回傳 YES，不能獲得時，與lock?處理不同，執行緒沒 有進入休眠狀態，而是直接回傳 NO 并繼續執行，

該方法十分便利，但要確保只能在可以獲得鎖時才執行 unlock，創建程式時必須注意這一點，

條件鎖

類 NSConditionLock 稱為 條件鎖 （condition lock），該鎖持有整數值，根據該值可以獲得鎖或者 等待，

• (id) initWithCondition: (NSInteger) condition

NSConditionLock 實體初始化，設定引數 condition 指定的值，

NSCondtionLock 的指定初始化器，

• (NSInteger) condition

此時回傳鎖中設定的值，

• (void) lockWhenCondition: (NSInteger) condition

如果鎖正在被使用，則執行緒進入休眠狀態，

鎖不在被使用時，如果鎖值和引數 condition 的值一致，則將鎖狀態修改為正在被使用，然后繼續執 行，如果不一致，則執行緒進入休眠狀態，

• (void) unlockWithCondition: (NSInteger) condition

在鎖中設定引數 condition 指定的值，將鎖設定為不在被使用，此時如果有等待獲得該鎖且處于休眠 狀態的執行緒，則將其喚醒，

• (BOOL) tryLockWhenCondition: (NSInteger) condition

尚未使用鎖且鎖值與引數 condition 相同時，獲得鎖并回傳 YES，不能獲得鎖時也不進入休眠狀態， 而是回傳 NO，執行緒繼續執行，

使用方法 lock 、 unlock 或 tryLock 都可以獲得鎖和釋放鎖，而且無需關心鎖的值，

然而，由于 NSConditionLock 實體可以持有的狀態為整數型，所以事先用列舉常數或宏定義就可 以了，如果只使用 0 或 1，不僅不容易理解，也可能造成錯誤，

NSRecursiveLock

某執行緒獲得鎖后，到該執行緒釋放鎖期間，想要獲得該鎖的執行緒就會進入休眠，使用類 NSLock 的 鎖時，如果已經獲得鎖的執行緒在沒有釋放它的情況下還想再次獲得該鎖，該執行緒也會進入休眠狀態， 但是，由于沒有從休眠狀態喚醒的執行緒，所以這就是死鎖，下面是一個簡單的例子，這段代碼不會 執行，

[aLock?lock];

[aLock?lock];??????//?這里發生死鎖

[aLock?unlock];

[aLock?unlock];

解決這種情況可以使用 NSRecursiveLock?類的鎖，擁有鎖的執行緒即使多次獲得同一個鎖也不會 進入死鎖，但是，其他執行緒當然也不能獲得該鎖，獲得次數和釋放次數一致時，鎖就會被釋放，

NSRecursiveLock 類的鎖使用起來十分方便，但排除被重復加鎖的情況，用 NSLock 來重新記述 
的話，性能則會更好，

@synchronized

程式內的塊可以指定為不被多執行緒同時使用，為此可以使用 @synchronized 編譯符，如下所示，

通過使用該段代碼，運行時系統就可以創建排斥地執行該代碼塊的鎖（mutex），引數 obj 通常指 定為該互斥鎖要保護的物件，obj 自己不需要是鎖物件，

執行緒如果要執行該代碼塊，首先會嘗試獲得鎖，如果能獲得鎖則可以執行塊內代碼，塊執行結 束時一并釋放鎖，使用 break 或 return 從塊內跳出到塊外時也被視作塊執行終止，而且，在塊內發生 例外時，運行時系統會捕捉例外并釋放塊，

@synchronized 的引數物件決定對應的塊，所以， 同一個物件引數的 @synchronized 塊如果有多 個，則不可以同時執行，

根據引數的選擇方法的不同，@synchronized 會在并行執行的受限物件和可以執行的普通物件之 間動態切換，下面展示 @synchronized 引數的使用示例，

(a) 是指定只能單獨存在的物件時的情景，同一個物件在其他地方也作為 @synchronized 的引數 使用時，所有這些塊不能同時執行，(b) 也是一樣，因為限制了引數的使用范圍，互斥物件顯然只能 是該方法內的塊，

(c) 是各個實體互斥的例子，一個實體一次只能執行一個執行緒，同一類別的其他實體則多個執行緒可以同時存在，(d) 在引數物件可能在多個地方更改的情況下有效，但以同樣方式使用該物件的所有 場所中都需要按照該方式書寫，否則就沒有任何意義，

而且，也可以按照 (e) 的方式書寫，此外還可以指定類物件，或者使用訊息選擇器（隱藏引數的 _cmd）來指定方法等，不過一般情況下，為互斥的物件使用專門的鎖物件是比較可靠的方法，

使用 @synchronized 塊時，加鎖和解鎖必須成對進行，因此可以防止加鎖后忘記解鎖這種問題的 發生，和普通的鎖相比，復雜的并行演算法的書寫會較為復雜，但多數情況下都會使互斥更容易理解，
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標籤：iOS

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