阿里、字节：一套高效的iOS面试题之多线程

2024-03-24 16:28:28

前言

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本篇我们来讲一下 阿里、字节：一套高效的iOS面试题 中的多线程相关的问题.

多线程

这一篇我们来解答下多线程问题,主要以GCD为主:

  • iOS开发中有多少类型的线程？分别对比
  • GCD有哪些队列，默认提供哪些队列
  • GCD有哪些方法api
  • GCD主线程 & 主队列的关系
  • 如何实现同步，有多少方式就说多少
  • dispatch_once实现原理
  • 什么情况下会死锁
  • 有哪些类型的线程锁，分别介绍下作用和使用场景
  • NSOperationQueue中的maxConcurrentOperationCount默认值
  • NSTimer、CADisplayLink、dispatch_source_t 的优劣

1.iOS开发中有多少类型的线程?分别对比

线程类型 对比 备注
pthread_t 跨平台C语言标准库中的多线程框架 过于底层使用很麻烦,需要封装使用.
GCD(Grand Central Dispatch) iOS5后苹果推出的双核CPU优化的多线程框架,对A5以后的CPU有很多底层优化,C函数的形式调用 有点面向过程,不能直接设置并发数,需要写一些代码曲线方式实现并发 推荐使用
NSOperation & NSOperationQueue 更加面向对象 可以设置并发数量 GCD 的封装

苹果底层库经过自己多年实践没有问题才会推荐给上层使用, eg:siri. 所以NSOperation实际上是苹果的ver1.0的多线程SDK,对GCD封装和pthread_t的封装.

2.GCD有哪些队列，默认提供哪些队列

  • 1.主线程串行队列
  • 2.全局并行队列
  • 3.自定义队列(可自行设置串/并的参数DISPATCH_QUEUE_SERIAL和DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT)

下面我整理了一个表格:
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队列类型 对应函数 系统默认提供/自定义 优先级
主线程串行队列(mian) dispatch_get_main_queue() 系统
全局并行队列(global) dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0) 系统 系统提供参数设置
自定义并行队列(Concurrent) dispatch_queue_create("com.sunyazhou.self.queue.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT) 自定义
自定义串行队列(Serial) dispatch_queue_create("com.sunyazhou.self.queue.serial", DISPATCH_QUEUE_SERIAL) 自定义

dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0) 其中的第一个参数就是队列的优先级,具体对于优先级QOS如下:

GCD全局队列优先级宏定义 对应枚举数值 对应Qos
DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH 2 QOS_CLASS_USER_INITIATED
DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT 0 QOS_CLASS_DEFAULT
DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW -2 QOS_CLASS_UTILITY
DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND INT16_MIN QOS_CLASS_BACKGROUND

其中dispatch_get_global_queue的第二个参数flag只是一个苹果予保留字段，通常我们传0（你可以试试传1应该队列创建失败）

3.GCD有哪些方法api

  • 队列相关API
  dispatch_get_main_queue(void) //获取主线程队列
  dispatch_get_global_queue(intptr_t identifier, uintptr_t flags) //获取全局队列
  dispatch_queue_create(const char *_Nullable label,dispatch_queue_attr_t _Nullable attr) //创建自定义队列 (一般大家都用域名倒置来区分队列的唯一标识,苹果对标识符是否一致在iOS10后有优化请注意.)
  • 执行API
  dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block) //在某队列开启异步线程 block{}花括号内的代码将在某队列异步运行
  dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, DISPATCH_NOESCAPE dispatch_block_t block) //在某队列开启同步线程 block{}花括号内的代码将在某队列同步运行
  dispatch_after(dispatch_time_t when, dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block) //GCD定时器 多久后执行 block
  dispatch_once(dispatch_once_t *predicate, DISPATCH_NOESCAPE dispatch_block_t block) //单次操作 (单位时间内只允许一个线程进入操作系统的临界区,一般创建单利时使用)这个变量可以区分冷热启动.
  dispatch_apply(size_t iterations, dispatch_queue_t DISPATCH_APPLY_QUEUE_ARG_NULLABILITY queue, DISPATCH_NOESCAPE void (^block)(size_t)) //向队列中追加任务操作并等待处理执行结束.
  dispatch_barrier_async()  //将自己的任务插入到队列之后，不会等待自己的任务结束，它会继续把后面的任务插入到队列，然后等待自己的任务结束后才执行后面任务
  dispatch_barrier_sync()  //将自己的任务插入到队列的时候，需要等待自己的任务结束之后才会继续插入被写在它后面的任务，然后执行它们
  • 调度组API
  dispatch_group_create(void) //创建GCD 调度组
  dispatch_group_async(dispatch_group_t group, dispatch_queue_t queue,dispatch_block_t block) //调度组开启异步线程
  dispatch_group_enter() //调度组信号量 需要和leave成对出现.
  dispatch_group_leave() //调度组信号量 需要和enter成对出现.
  dispatch_group_notify() //调度组任务完成通知调用方 操作(一般都回到主线程)
  dispatch_group_wait() //整个调度组 阻塞操作.只等待不做结束处理
  • 信号量API
dispatch_semaphore_create(intptr_t value) //创建信号量 (可以理解为是线程锁)
  dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout) //信号-1
  dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema) //信号+1
  • 调度资源API
      dispatch_source_create() 
  dispatch_source_set_timer()
  dispatch_source_set_event_handler()
  dispatch_activate()
  dispatch_resume()
  dispatch_suspend()
  dispatch_source_cancel()
  dispatch_source_testcancel()
  dispatch_source_set_cancel_handler()
  dispatch_notify()
  dispatch_get_context()
  dispatch_set_contex()
  dispatch_queue_set_specific() 给队列设置标识
  dispatch_queue_get_specific() 取出队列标识
  dispatch_get_specific() 查询线程标识
  ...

4.GCD主线程 & 主队列的关系

提交到主队列的任务在主线程执行.

5.如何实现同步，有多少方式就说多少

  • dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, DISPATCH_NOESCAPE dispatch_block_t block) 在某队列开启同步线程
  • dispatch_barrier_sync() 障碍锁的方式同步
  • dispatch_group_create() + dispatch_group_wait()
  • dispatch_apply() 插队追加 操作同步
  • dispatch_semaphore_create() + dispatch_semaphore_wait() 信号量锁
  • 串行NSOperationQueue队列并发数为1的时候 [NSOpertaion start] 启动任务即使同步操作 (NSOperationQueue.maxConcurrentOperationCount = 1)
  • pthread_mutex底层锁函数
  • 上层应用层封装的NSLock
  • NSRecursiveLock 递归锁，这个锁可以被同一线程多次请求，而不会引起死锁。这主要是用在循环或递归操作中
  • NSConditionLock & NSCondition 条件锁
  • @synchronized 同步操作 单位时间内只允许一个线程进入临界区
  • dispatch_once() 单位时间内只允许一个线程进入临界区 …

6.dispatch_once实现原理

这个问题问的很傻吊也很高超.因为要解释清楚所有步骤需要记住里面所有代码

我认为这个问题应该从操作系统层面回答, 这个问题的核心是操作系统返回状态决定的,单位时间内操作系统只允许一个线程进入临界区,进入临界区的线程会被标记

回归到代码就是

dispatch_once(dispatch_once_t *val, dispatch_block_t block)  
	|_____dispatch_once_f(val, block, _dispatch_Block_invoke(block))  
		|_______&l->dgo_once  // &l->dgo_once 地址中存储的值。显然若该值为DLOCK_ONCE_DONE，即为once已经执行过

dgo_once是dispatch_once_gate_s的成员变量

typedef struct dispatch_once_gate_s {
	union {
		dispatch_gate_s dgo_gate;
		uintptr_t dgo_once;
	};
} dispatch_once_gate_s, *dispatch_once_gate_t;

有个内联函数static inline bool _dispatch_once_gate_tryenter(dispatch_once_gate_t l)

这个内联函数返回一个 原子性操作的结果

return os_atomic_cmpxchg(&l->dgo_once, DLOCK_ONCE_UNLOCKED,(uintptr_t)_dispatch_lock_value_for_self(), relaxed)

比较+交换 的原子操作。比较 &l->dgo_once 的值是否等于 DLOCK_ONCE_UNLOCKED

这样就实现了我们的执行1次的GCD API.

dispatch_once的底层实现

7.什么情况下会死锁

造成死锁的主要是 线程信息不对称,出现A等B的同时 B也在等A的情况.

/// 在主线程中执行这句代码
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
    NSLog(@"这里死锁了");
});

主线程一直不会执行完,追加到主线程同步执行的任务显然惨死.卡住主线程无法自拔.

其它的情况 都是资源产生竞争或者调用lock的函数没有调用unlock导致,异步线程 先后调用等产生的较多.

8.有哪些类型的线程锁，分别介绍下作用和使用场景

锁类型 使用场景 备注
pthread_mutex 互斥锁 PTHREAD_MUTEX_NORMAL,#import <pthread.h>
OSSpinLock 自旋锁 不安全，iOS 10 已启用
os_unfair_lock 互斥锁 替代 OSSpinLock
pthread_mutex(recursive) 递归锁 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE,#import <pthread.h>
pthread_cond_t 条件锁 #import <pthread.h>
pthread_rwlock 读写锁 读操作重入，写操作互斥
@synchronized 互斥锁 性能差，且无法锁住内存地址更改的对象
NSLock 互斥锁 封装 pthread_mutex
NSRecursiveLock 递归锁 封装pthread_mutex(recursive)
NSCondition 条件锁 封装 pthread_cond_t
NSConditionLock 条件锁 可以指定具体条件值 封装 pthread_cond_t

9.NSOperationQueue中的maxConcurrentOperationCount默认值

默认值 -1. 这个值操作系统会根据资源使用的综合开销情况设置.

10.NSTimer、CADisplayLink、dispatch_source_t` 的优劣

定时器类型 优势 劣势
NSTimer 使用简单 依赖 Runloop，具体表现在 无 Runloop 无法使用、NSRunLoopCommonModes、不精确
CADisplayLink 依赖屏幕刷新频率出发事件,最精.最合适做UI刷新 若屏幕刷新被影响，事件也被影响、事件触发的时间间隔只能是屏幕刷新 duration 的倍数、若事件所需时间大于触发事件，跳过数次、不能被继承
dispatch_source_t 不依赖 Runloop 依赖线程队列,使用麻烦 使用不当容易Crash

总结

今天这篇多线程 也算是一个objc开发者的知识总结,这里面问到的知识大部分和队列线程关系比较多. 高阶一些的搞法并没有. 比如:如何停掉dispatch_source_t的定时器.再比如 为什么要存在dispatch_source. 下一篇我们讲解一下 视图&图像相关文章.

文章链接：https://www.sunyazhou.com/2020/09/GCD/

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