iOS多線程編程指南(一)關于多線程編程
多年來，計算機的最大性能主要受限于它的中心微處理器的速度。然而由于個別處理器已經開始達到它的瓶頸限制，芯片制造商開始轉向多核設計，讓計算機具有了同時執行多個任務的能力。盡管Mac OS X利用了這些核心優勢，在任何時候可以執行系統相關的任務，但自己的應用程序也可以通過多線程方法利用這些優勢。
1.什么是多線程
多線程是一個比較輕量級的方法來實現單個應用程序內多個代碼執行路徑。在系統級別內，程序并排執行，系統分配到每個程序的執行時間是基于該程序的所需時間和其他程序的所需時間來決定的。然而在每個應程序的內部，存在一個或多個執行線程，它同時或在一個幾乎同時發生的方式里執行不同的任務。系統本身管理這些執行的線程，調度它們在可用的內核上運行，并在需要讓其他線程執行的時候搶先打斷它們。
從技術角度來看，一個線程就是一個需要管理執行代碼的內核級和應用級數據結構組合。內核級結構協助調度線程事件，并搶占式調度一個線程到可用的內核之上。應用級結構包括用于存儲函數調用的調用堆棧和應用程序需要管理和操作線程屬性和狀態的結構。
在非并發的應用程序，只有一個執行線程。該線程開始和結束于你應用程序的main循環，一個個方法和函數的分支構成了你整個應用程序的所有行為。與此相反，支持并發的應用程序開始可以在需要額外的執行路徑時候創建一個或多個線程。每個新的執行路徑有它自己獨立于應用程序main循環的定制開始循環。在應用程序中存在多個線程提供了兩個非常重要的的潛在優勢：
- 多個線程可以提高應用程序的感知響應。
- 多個線程可以提高應用程序在多核系統上的實時性能。
如果你的應用程序只有單獨的線程，那么該獨立程序需要完成所有的事情。它必須對事件作出響應，更新您的應用程序的窗口，并執行所有實現你應用程序行為需要的計算。擁有單獨線程的主要問題是在同一時間里面它只能執行一個任務。那么當你的應用程序需要很長時間才能完成的時候會發生什么呢？當你的代碼忙于計算你所需要的值的時候，你的程序就會停止響應用戶事件和更新它的窗口。如果這樣的情況持續足夠長的時間，用戶就會誤認為你的程序被掛起了，并試圖強制退出。如果你把你的計算任務轉移到一個獨立的線程里面，那么你的應用程序主線程就可以自由并及時響應用戶的交互。
當然多線程并不是解決程序性能問題的靈丹妙藥。多線程帶來好處同時也伴隨著潛在問題。應用程序內擁有多個可執行路徑，會給你的代碼增加更多的復雜性。每個線程需要和其他線程協調其行為，以防止它破壞應用程序的狀態信息。因為應用程序內的多個線程共享內存空間，它們訪問相同的數據結構。如果兩個線程試圖同時處理相同的數據結構，一個線程有可能覆蓋另外線程的改動導致破壞該數據結構。即使有適當的保護，你仍然要注意由于編譯器的優化導致給你代碼產生很微妙的（和不那么微妙）的Bug。
2.線程術語
在討論多線程和它支持的相關技術之前，我們有必要先了解一些基本的術語。如果你熟悉Carbon的多處理器服務API或者UNIX系統的話，你會發現本文檔里面“任務(task)”被用于不同的定義。在Mac OS的早期版本，術語“任務(task)”是用來區分使用多處理器服務創建的線程和使用Carbon線程管理API創建的線程。在UNIX系統里面，術語“任務（task）”也在一段時間內被用于指代運行的進程。在實際應用中，多處理器服務任務是相當于搶占式的線程。
由于Carbon線程管理器和多處理器服務API是Mac OS X的傳統技術，本文件采用下列術語：
- 線程(線程)用于指代獨立執行的代碼段。
- 進程(process)用于指代一個正在運行的可執行程序，它可以包含多個線程。
- 任務(task)用于指代抽象的概念，表示需要執行工作。
3.多線程的替代方法
你自己創建多線程代碼的一個問題就是它會給你的代碼帶來不確定性。多線程是一個相對較低的水平和復雜的方式來支持你的應用程序并發。如果你不完全理解你的設計選擇的影響，你可能很容易遇到同步或定時問題，其范圍可以從細微的行為變化到嚴重到讓你的應用程序崩潰并破壞用戶數據。
你需要考慮的另一個因素是你是否真的需要多線程或并發。多線程解決了如何在同一個進程內并發的執行多路代碼路徑的問題。然而在很多情況下你是無法保證你所在做的工作是并發的。多線程引入帶來大量的開銷，包括內存消耗和CPU占用。你會發現這些開銷對于你的工作而言實在太大，或者有其他方法會更容易實現。
表1-1列舉了多線程的替代方法。該表包含了多線程的替代技術(比如操作對象和GCD)和如何更高效的使用單個線程。
Table 1-1 Alternative technologies to threads
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Technology |
Description |
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Operation objects |
Introduced in Mac OS X v10.5, an operation object is a wrapper for a task that would normally be executed on a secondary thread. This wrapper hides the thread management aspects of performing the task, leaving you free to focus on the task itself. You typically use these objects in conjunction with an operation queue object, which actually manages the execution of the operation objects on one more threads. |
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Grand Central Dispatch (GCD) |
Introduced in Mac OS x v10.6, Grand Central Dispatch is another alternative to threads that lets you focus on the tasks you need to perform rather than on thread management. With GCD, you define the task you want to perform and add it to a work queue, which handles the scheduling of your task on an appropriate thread. Work queues take into account the number of available cores and the current load to execute your tasks more efficiently than you could do yourself using threads. |
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Idle-time notifications |
For tasks that are relatively short and very low priority, idle time notifications let you perform the task at a time when your application is not as busy. Cocoa provides support for idle-time notifications using the NSNotificationQueue object. To request an idle-time notification, post a notification to the default NSNotificationQueue object using the NSPostWhenIdle option. The queue delays the delivery of your notification object until the run loop becomes idle. For more information, see Notification Programming Topics. |
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Asynchronous functions |
The system interfaces include many asynchronous functions that provide automatic concurrency for you. These APIs may use system daemons and processes or create custom threads to perform their task and return the results to you. (The actual implementation is irrelevant because it is separated from your code.) As you design your application, look for functions that offer asynchronous behavior and consider using them instead of using the equivalent synchronous function on a custom thread. |
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Timers |
You can use timers on your application’s main thread to perform periodic tasks that are too trivial to require a thread, but which still require servicing at regular intervals. For information on timers, see “Timer Sources.” |
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Separate processes |
Although more heavyweight than threads, creating a separate process might be useful in cases where the task is only tangentially related to your application. You might use a process if a task requires a significant amount of memory or must be executed using root privileges. For example, you might use a 64-bit server process to compute a large data set while your 32-bit application displays the results to the user. |
注意:當使用fork函數加載獨立進程的時候，你必須總是在fork后面調用exec或者類似的函數。基于Core Foundation、Cocao或者Core Data框架（無論顯式還是隱式關聯）的應用程序隨后調用exec函數或者類似的函數都會導出不確定的結果。
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4.線程支持
如果你已經有代碼使用了多線程，Mac OS X和iOS提供幾種技術來在你的應用程序里面創建多線程。此外，兩個系統都提供了管理和同步你需要在這些線程里面處理的工作。以下幾個部分描述了一些你在Mac OS X和iOS上面使用多線程的時候需要注意的關鍵技術。
4.1線程包
雖然多線程的底層實現機制是Mach的線程，你很少（即使有）使用Mach級的線程。相反，你會經常使用到更多易用的POSIX 的API或者它的衍生工具。Mach的實現沒有提供多線程的基本特征，但是包括搶占式的執行模型和調度線程的能力，所以它們是相互獨立的。
列表1-2列舉你可以在你的應用程序使用的線程技術。
Table 1-2 Thread technologies
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Technology |
Description |
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Cocoa threads |
Cocoa implements threads using the NSThread class. Cocoa also provides methods on NSObject for spawning new threads and executing code on already-running threads. For more information, see “Using NSThread” and “Using NSObject to Spawn a Thread.” |
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POSIX threads |
POSIX threads provide a C-based interface for creating threads. If you are not writing a Cocoa application, this is the best choice for creating threads. The POSIX interface is relatively simple to use and offers ample flexibility for configuring your threads. For more information, see “Using POSIX Threads” |
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Multiprocessing Services |
Multiprocessing Services is a legacy C-based interface used by applications transitioning from older versions of Mac OS. This technology is available in Mac OS X only and should be avoided for any new development. Instead, you should use the NSThread class or POSIX threads. If you need more information on this technology, see Multiprocessing Services Programming Guide. |
在應用層上，其他平臺一樣所有線程的行為本質上是相同的。線程啟動之后，線程就進入三個狀態中的任何一個:運行(running)、就緒(ready)、阻塞(blocked)。如果一個線程當前沒有運行，那么它不是處于阻塞，就是等待外部輸入，或者已經準備就緒等待分配CPU。線程持續在這三個狀態之間切換，直到它最終退出或者進入中斷狀態。
當你創建一個新的線程，你必須指定該線程的入口點函數（或Cocoa線程時候為入口點方法）。該入口點函數由你想要在該線程上面執行的代碼組成。但函數返回的時候，或你顯式的中斷線程的時候，線程永久停止，且被系統回收。因為線程創建需要的內存和時間消耗都比較大，因此建議你的入口點函數做相當數量的工作，或建立一個運行循環允許進行經常性的工作。
為了獲取更多關于線程支持的可用技術并且如何使用它們，請閱讀“線程管理部分”。
4.2Run Loops
注:為了便于記憶，文本后面部分翻譯Run Loops的時候基本采用原義，而非翻譯為“運行循環”。
一個run loop是用來在線程上管理事件異步到達的基礎設施。一個run loop為線程監測一個或多個事件源。當事件到達的時候，系統喚醒線程并調度事件到run loop,然后分配給指定程序。如果沒有事件出現和準備處理，run loop把線程置于休眠狀態。
你創建線程的時候不需要使用一個run loop，但是如果你這么做的話可以給用戶帶來更好的體驗。Run Loops可以讓你使用最小的資源來創建長時間運行線程。因為run loop在沒有任何事件處理的時候會把它的線程置于休眠狀態，它消除了消耗CPU周期輪詢，并防止處理器本身進入休眠狀態并節省電源。
為了配置run loop,你所需要做的是啟動你的線程，獲取run loop的對象引用，設置你的事件處理程序，并告訴run loop運行。Cocoa和Carbon提供的基礎設施會自動為你的主線程配置相應的run loop。如果你打算創建長時間運行的輔助線程，那么你必須為你的線程配置相應的run loop。
關于run loops的詳細信息和如何使用它們的例子會在“Run Loops”部分介紹。
4.3同步工具
線程編程的危害之一是在多個線程之間的資源爭奪。如果多個線程在同一個時間試圖使用或者修改同一個資源，就會出現問題。緩解該問題的方法之一是消除共享資源，并確保每個線程都有在它操作的資源上面的獨特設置。因為保持完全獨立的資源是不可行的，所以你可能必須使用鎖，條件，原子操作和其他技術來同步資源的訪問。
鎖提供了一次只有一個線程可以執行代碼的有效保護形式。最普遍的一種鎖是互斥排他鎖，也就是我們通常所說的“mutex”。當一個線程試圖獲取一個當前已經被其他線程占據的互斥鎖的時候，它就會被阻塞直到其他線程釋放該互斥鎖。系統的幾個框架提供了對互斥鎖的支持，雖然它們都是基于相同的底層技術。此外Cocoa提供了幾個互斥鎖的變種來支持不同的行為類型，比如遞歸。獲取更多關于鎖的種類的信息，請閱讀“鎖”部分內容。
除了鎖，系統還提供了條件，確保在你的應用程序任務執行的適當順序。一個條件作為一個看門人，阻塞給定的線程，直到它代表的條件變為真。當發生這種情況的時候，條件釋放該線程并允許它繼續執行。POSIX級別和基礎框架都直接提供了條件的支持。（如果你使用操作對象，你可以配置你的操作對象之間的依賴關系的順序確定任務的執行順序，這和條件提供的行為非常相似）。
盡管鎖和條件在并發設計中使用非常普遍，原子操作也是另外一種保護和同步訪問數據的方法。原子操作在以下情況的時候提供了替代鎖的輕量級的方法，其中你可以執行標量數據類型的數學或邏輯運算。原子操作使用特殊的硬件設施來保證變量的改變在其他線程可以訪問之前完成。
獲取更多關于可用同步工具信息，請閱讀“同步工具”部分。
4.4線程間通信
雖然一個良好的設計最大限度地減少所需的通信量，但在某些時候，線程之間的通信顯得十分必要。（線程的任務是為你的應用程序工作，但如果從來沒有使用過這些工作的結果，那有什么好處呢？）線程可能需要處理新的工作要求，或向你應用程序的主線程報告其進度情況。在這些情況下，你需要一個方式來從其他線程獲取信息。幸運的是，線程共享相同的進程空間，意味著你可以有大量的可選項來進行通信。
線程間通信有很多種方法，每種都有它的優點和缺點。“配置線程局部存儲”列出了很多你可以在Mac OS X上面使用的通信機制。（異常的消息隊列和Cocoa分布式對象，這些技術也可在iOS用來通信）。本表中的技術是按照復雜性的順序列出。
Table 1-3Communication mechanisms
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Mechanism |
Description |
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Direct messaging |
Cocoa applications support the ability to perform selectors directly on other threads. This capability means that one thread can essentially execute a method on any other thread. Because they are executed in the context of the target thread, messages sent this way are automatically serialized on that thread. For information about input sources, see “Cocoa Perform Selector Sources.” |
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Global variables, shared memory, and objects |
Another simple way to communicate information between two threads is to use a global variable, shared object, or shared block of memory. Although shared variables are fast and simple, they are also more fragile than direct messaging. Shared variables must be carefully protected with locks or other synchronization mechanisms to ensure the correctness of your code. Failure to do so could lead to race conditions, corrupted data, or crashes. |
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Conditions |
Conditions are a synchronization tool that you can use to control when a thread executes a particular portion of code. You can think of conditions as gate keepers, letting a thread run only when the stated condition is met. For information on how to use conditions, see “Using Conditions.” |
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Run loop sources |
A custom run loop source is one that you set up to receive application-specific messages on a thread. Because they are event driven, run loop sources put your thread to sleep automatically when there is nothing to do, which improves your thread’s efficiency. For information about run loops and run loop sources, see “Run Loops.” |
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Ports and sockets |
Port-based communication is a more elaborate way to communication between two threads, but it is also a very reliable technique. More importantly, ports and sockets can be used to communicate with external entities, such as other processes and services. For efficiency, ports are implemented using run loop sources, so your thread sleeps when there is no data waiting on the port. For information about run loops and about port-based input sources, see “Run Loops.” |
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Message queues |
The legacy Multiprocessing Services defines a first-in, first-out (FIFO) queue abstraction for managing incoming and outgoing data. Although message queues are simple and convenient, they are not as efficient as some other communications techniques. For more information about how to use message queues, see Multiprocessing Services Programming Guide. |
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Cocoa distributed objects |
Distributed objects is a Cocoa technology that provides a high-level implementation of port-based communications. Although it is possible to use this technology for inter-thread communication, doing so is highly discouraged because of the amount of overhead it incurs. Distributed objects is much more suitable for communicating with other processes, where the overhead of going between processes is already high. For more information, seeDistributed Objects Programming Topics. |
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5.設計技巧
以下各節幫助你實現自己的線程提供了指導，以確保你代碼的正確性。部分指南同時提供如何利用你的線程代碼獲得更好的性能。任何性能的技巧，你應該在你更改你代碼之前、期間、之后總是收集相關的性能統計數據。
5.1避免顯式創建線程
手動編寫線程創建代碼是乏味的，而且容易出現錯誤，你應該盡可能避免這樣做。Mac OS X和iOS通過其他API接口提供了隱式的并發支持。你可以考慮使用異步API，GCD方式，或操作對象來實現并發，而不是自己創建一個線程。這些技術背后為你做了線程相關的工作，并保證是無誤的。此外，比如GCD和操作對象技術被設計用來管理線程，比通過自己的代碼根據當前的負載調整活動線程的數量更高效。 關于更多GCD和操作對象的信息，你可以查閱“并發編程指南(Concurrency Programming Guid)”。
5.2保持你的線程合理的忙
如果你準備人工創建和管理線程，記得多線程消耗系統寶貴的資源。你應該盡最大努力確保任何你分配到線程的任務是運行相當長時間和富有成效的。同時你不應該害怕中斷那些消耗最大空閑時間的線程。線程使用一個平凡的內存量，它的一些有線，所以釋放一個空閑線程，不僅有助于降低您的應用程序的內存占用，它也釋放出更多的物理內存使用的其他系統進程。線程占用一定量的內存，其中一些是有線的，所以釋放空閑線程不但幫助你減少了你應用程序的內存印記，而且還能釋放出更多的物理內存給其他系統進程使用。
重要:在你中斷你的空閑線程開始之前，你必須總是記錄你應用程序當前的性能基線測量。當你嘗試修改后，采取額外的測量來確保你的修改實際上提高了性能，而不是對它操作損害。
5.3避免共享數據結構
避免造成線程相關資源沖突的最簡單最容易的辦法是給你應用程序的每個線程一份它需求的數據的副本。當最小化線程之間的通信和資源爭奪時并行代碼的效果最好。
創建多線程的應用是很困難的。即使你非常小心，并且在你的代碼里面所有正確的地方鎖住共享資源，你的代碼依然可能語義不安全的。比如，當在一個特定的順序里面修改共享數據結構的時候，你的代碼有可能遇到問題。以原子方式修改你的代碼，來彌補可能隨后對多線程性能產生損耗的情況。把避免資源爭奪放在首位通常可以得到簡單的設計同樣具有高性能的效果。
5.4多線程和你的用戶界面
如果你的應用程序具有一個圖形用戶界面，建議你在主線程里面接收和界面相關的事件和初始化更新你的界面。這種方法有助于避免與處理用戶事件和窗口繪圖相關的同步問題。一些框架，比如Cocoa,通常需要這樣操作，但是它的事件處理可以不這樣做，在主線程上保持這種行為的優勢在于簡化了管理你應用程序用戶界面的邏輯。
有幾個顯著的例外，它有利于在其他線程執行圖形操作。比如，QuickTime API包含了一系列可以在輔助線程執行的操作，包括打開視頻文件，渲染視頻文件，壓縮視頻文件，和導入導出圖像。類似的，在Carbon和Cocoa里面，你可以使用輔助線程來創建和處理圖片和其他圖片相關的計算。使用輔助線程來執行這些操作可以極大提高性能。如果你不確定一個操作是否和圖像處理相關，那么你應該在主線程執行這些操作。
關于QuickTime線程安全的信息，查閱Technical Note TN2125:“QuickTime的線程安全編程”。關于Cocoa線程安全的更多信息，查閱“線程安全總結”。關于Cocoa繪畫信息，查閱Cocoa繪畫指南（Cocoa Drawing Guide）。
5.5了解線程退出時的行為
進程一直運行直到所有非獨立線程都已經退出為止。默認情況下，只有應用程序的主線程是以非獨立的方式創建的，但是你也可以使用同樣的方法來創建其他線程。當用戶退出程序的時候，通常考慮適當的立即中斷所有獨立線程，因為通常獨立線程所做的工作都是是可選的。如果你的應用程序使用后臺線程來保存數據到硬盤或者做其他周期行的工作，那么你可能想把這些線程創建為非獨立的來保證程序退出的時候不丟失數據。
以非獨立的方式創建線程（又稱作為可連接的）你需要做一些額外的工作。因為大部分上層線程封裝技術默認情況下并沒有提供創建可連接的線程，你必須使用POSIX API來創建你想要的線程。此外，你必須在你的主線程添加代碼，來當它們最終退出的時候連接非獨立的線程。更多有關創建可連接的線程信息，請查閱“設置線程的脫離狀態”部分。
如果你正在編程Cocoa的程序，你也可以通過使用applicationShouldTerminate:的委托方法來延遲程序的中斷直到一段時間后或者完成取消。當延遲中斷的時候，你的程序需要等待直到任何周期線程已經完成它們的任務且調用了replyToApplicationShouldTerminate:方法。關于更多這些方法的信息，請查閱NSApplication Class Reference。
5.6處理異常
當拋出一個異常時，異常的處理機制依賴于當前調用堆棧執行任何必要的清理。因為每個線程都有它自己的調用堆棧，所以每個線程都負責捕獲它自己的異常。如果在輔助線程里面捕獲一個拋出的異常失敗，那么你的主線程也同樣捕獲該異常失敗：它所屬的進程就會中斷。你無法捕獲同一個進程里面其他線程拋出的異常。
如果你需要通知另一個線程（比如主線程）當前線程中的一個特殊情況，你應該捕捉異常，并簡單地將消息發送到其他線程告知發生了什么事。根據你的模型和你正在嘗試做的事情，引發異常的線程可以繼續執行（如果可能的話），等待指示，或者干脆退出。
注意:在Cocoa里面，一個NSException對象是一個自包含對象，一旦它被引發了，那么它可以從一個線程傳遞到另外一個線程。
在一些情況下，異常處理可能是自動創建的。比如，Objective-C中的@synchronized包含了一個隱式的異常處理。
5.7干凈地中斷你的線程
線程自然退出的最好方式是讓它達到其主入口結束點。雖然有不少函數可以用來立即中斷線程，但是這些函數應僅用于作為最后的手段。在線程達到它自然結束點之前中斷一個線程阻礙該線程清理完成它自己。如果線程已經分配了內存，打開了文件，或者獲取了其他類型資源，你的代碼可能沒辦法回收這些資源，結果造成內存泄漏或者其他潛在的問題。
關于更多正確退出線程的信息，請查閱“中斷線程”部分。
5.8線程安全的庫
雖然應用程序開發人員控制應用程序是否執行多個線程，類庫的開發者則無法這樣控制。當開發類庫時，你必須假設調用應用程序是多線程，或者多線程之間可以隨時切換。因此你應該總是在你的臨界區使用鎖功能。
對類庫開發者而言，只當應用程序是多線程的時候才創建鎖是不明智的。如果你需要鎖定你代碼中的某些部分，早期應該創建鎖對象給你的類庫使用，更好是顯式調用初始化類庫。雖然你也可以使用靜態庫的初始化函數來創建這些鎖，但是僅當沒有其他方式的才應該這樣做。執行初始化函數需要延長加載你類庫的時間，且可能對你程序性能造成不利影響。
注意：永遠記住在你的類庫里面保持鎖和釋放鎖的操作平衡。你應該總是記住鎖定類庫的數據結構，而不是依賴調用的代碼提供線程安全環境。
如果你真正開發Cocoa的類庫，那么當你想在應用程序變成多線程的時候收到通知的話，你可以給NSWillBecomeMultiThreadedNotification 注冊一個觀察者。不過你不應用依賴于這些收到的通知，因為它們可能在你的類庫被調用之前已經被發出了。
