1.1 多线程概念

由于一条线程同一时间只能处理一个任务，所以一个线程里的任务必须顺序执行。如果遇到耗时操作（如网络通信、耗时运算、音乐播放等），等上一个操作完成再执行下一个任务，则在此时间内用户得不到任何响应，这是很糟糕的用户体验。因此在iOS编程中，通常将耗时操作单独放在一个线程里，而把与用户交互的操作放在主线程里，保证应用及时响应用户的操作，提高用户体验。接下来，将围绕多线程技术进行详细讲解。

1.1.1 多线程概述

多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。多线程技术使得计算机能够在同一时间执行多个线程，从而提升其整体处理性能。

想要了解多线程，必须先理解进程和线程的概念。进程是指在系统中正在运行的应用程序。这个“运行中的程序”就是一个进程。每个进程拥有着自己的地址空间。

当一个程序进入内存运行时，就会变成一个进程，运行中的每个程序都对应着一个进程，且进程具有一定的独立功能。打开Mac的活动监测器，可以看到当前系统执行的进程，如图1-1所示。

由图1-1可知，该窗口第1列显示的是“进程名称”，该列的每个应用程序就是一个单独的进程。第4列显示的是当前进程拥有的线程数量，而且不止一条。

进程作为系统进行分配和调度的一个独立单位，它主要包含以下3个主要特征。

（1）独立性

进程是一个能够独立运行的基本单位，它既拥有自己独立的资源，又拥有着自己私有的地址空间。在没有经过进程本身允许的情况下，一个用户的进程是不可以直接访问其他进程的地址空间的。

（2）动态性

进程的实质是程序在系统中的一次执行过程，程序只是一个静态的指令集合，而进程是一个正在系统中活动的指令集合。在进程中加入了时间的概念，它就具有自己的生命周期和各自不同的状态，进程是动态消亡的。

（3）并发性

多个进程可以在单个处理器中同时执行，而不会相互影响，并发就是同时进行的意思。

需要注意的是，CPU在某一个时间点只能执行一个程序，即只能运行一个单独的进程，CPU会不断地在这些进程之间轮换执行。假如Mac同时运行着QQ、music、PPT、film4个程序，它们在CPU中所对应的进程如图1-2所示。

图1-2展示了CPU在多个进程间切换执行的效果，由于CPU的执行速度相对人的感觉而言太快，造成了多个程序同时运行的假象。如果启动了足够多个程序，CPU就会在这么多个程序间切换，这时用户会明显感觉到程序的运行速度下降。

多线程扩展了多进程的概念，使得同一个进程可以同时并发处理多个任务。一个程序的运行至少要有一个线程，一个进程要想执行任务，必须依靠至少一个线程，这个线程就被称作主线程。线程是进程的基本执行单元，对于大多数应用程序而言，通常只有一个主线程。

当进程被初始化之后，主线程就被创建了，主线程是其他线程最终的父线程，所有界面的显示操作必须在主线程进行。开发者可以创建多个子线程，每条线程之间是相互独立的。假如QQ进程中有3个线程，分别用来处理数据发送、数据显示、数据接收，则它们在进程中的关系如图1-3所示。

由图1-3可知，一个进程必定有一个主线程，每个线程之间是独立运行的，因此，线程的执行是抢占式的，只有当前的线程被挂起，另一个线程才可以运行。

一个进程中包含若干个线程，这些线程可以利用进程所拥有的资源。通常都是把进程作为分配资源的基本单位，把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，因此对它进行调度所付出的开销就会小得多，能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。

当操作系统创建一个进程的时候，必须为进程分配独立的内存空间，并且分配大量的相关资源。但是创建一个线程则要简单得多，因此使用多线程实现并发要比使用多进程性能高很多。总体而言，使用多线程编程有以下优势。

（1）进程间不能共享内存，但是线程之间共享内存是非常容易的。

（2）当硬件处理器的数量有所增加时，程序运行的速度更快，无需做其他任何调整。

（3）充分发挥多核处理器的优势，将不同的任务分配给不同的处理器，真正进入“并行运算”的状态。

（4）将耗时、轮询或者并发需求高的任务分配到其他线程执行，而主线程则负责统一更新界面，这样使得应用程序更加流畅，用户的体验更好。

凡事有利必有弊，多线程既有着一定的优势，同样也有着一定的劣势。如何扬长避短，这是开发者需要注意的问题。多线程的劣势包括以下3方面。

（1）开启线程需要占用一定的内存空间（默认情况下，主线程最大占用1M的栈区空间，子线程最大占用512K的栈区空间），如果要开启大量的线程，势必会占用大量的内存空间，从而降低程序的性能。

（2）开启的线程越多，CPU在调度线程上的开销就会越大，一般最好不要同时开启超过5个线程。

（3）程序的设计会变得更加复杂，如线程之间的通信、多线程间的数据共享等。

1.1.2 线程的串行和并行

如果在一个进程中只有一个线程，而这个进程要执行多个任务，那么这个线程只能一个个地按顺序执行这些任务，也就是说，在同一个时间内，一个线程只能执行一个任务，这样的线程执行方式称为线程的串行。如果在一个进程内要下载文件A、文件B、文件C，则线程的串行执行顺序如图1-4所示。

图1-4中，一个进程中只存在一个线程，该线程需要执行3个任务，每个任务都是下载一个文件。按照先后添加的顺序，只有上一个文件下载完成之后，才会下载下一个文件。

如果一个进程中包含的不止有一条线程，每条线程之间可以并行（同时）执行不同的任务，则称为线程的并行，也称多线程。如果在一个进程内要下载文件A、文件B、文件C，则线程的并行执行顺序如图1-5所示。

图1-5中，一个进程拥有3个线程，每个线程执行1个任务，3个下载任务没有先后顺序，可以同时执行。

同一时间，CPU只能处理一个线程，也就是只有一个线程在工作。由于CPU快速地在多个线程之间调度，人眼无法感觉到，就造成了多线程并发执行的假象，多线程原理图如图1-6所示。

由图1-6可知，一个进程拥有3个线程，分别为线程A、线程B、线程C。某一时刻，CPU执行线程A为一个小箭头的时间，之后又切换到线程B、线程C，依次类推，这样就形成了多条线程并发执行的效果。

1.1.3 多线程技术种类

iOS提供了4种实现多线程的技术，这些技术各有侧重，既有着一定的优势，也存在着各自的不足，开发者可根据自己的实际情况选择。接下来，通过一张图来描述这4种技术方案，如图1-7所示。

从图1-7中可以看出，pthread可以实现跨平台多个系统的开发，但是它通过C语言操作，使用难度很大，所以一般不被程序员采用。NSThread是面向对象操作的，通过OC语言来执行操作，但是操作步骤繁多，不易控制，也只是偶尔使用。但是，NSThread的内容有助于初学者理解多线程的本质和实现原理，后面会针对它进行详细的介绍。GCD充分利用了设备的多核优势，用于替代NSThread技术。NSOperation基于GCD，更加面向对象。GCD和NSOperation都是自动管理线程的，在实际开发中更受开发者推崇。后面的小节也会对GCD和NSOperation进行详细的介绍。