面试题：Objective-C中如何设计一个复杂的多线程系统以同时规避死锁与线程饥饿且保证高性能

Question

假设你要设计一个Objective-C的复杂多线程系统，该系统涉及多个相互依赖的模块，每个模块都有不同的线程需求和资源访问需求。请描述整体的设计思路，包括如何合理规划线程池、管理锁机制、处理任务优先级等，以确保既不会出现死锁，也不会发生线程饥饿，同时保证系统的高性能运行，并给出关键部分的代码框架示例。

Answer 1

设计思路

1. 线程池规划
   • 根据不同模块的线程需求，将任务分类。例如，I/O 密集型任务可分配到一组线程，CPU 密集型任务分配到另一组。
   • 确定线程池的大小。对于 CPU 密集型任务，线程数可设为 CPU 核心数；I/O 密集型任务，可适当增加线程数，以充分利用等待 I/O 的时间。
2. 锁机制管理
   • 尽量减少锁的使用范围，只在必要的资源访问处加锁。
   • 采用层次化的锁机制，为不同模块或资源分配不同级别的锁，避免循环依赖。
   • 使用 NSRecursiveLock 处理递归调用中的锁问题，确保同一线程可多次获取锁。
3. 任务优先级处理
   • 为每个任务分配优先级，例如分为高、中、低三个等级。
   • 使用优先级队列来管理任务，高优先级任务优先执行。
4. 避免死锁和线程饥饿
   • 死锁避免：按固定顺序获取锁，避免循环获取锁的情况。定期检查锁的持有情况，若发现死锁，及时解除。
   • 线程饥饿避免：为低优先级任务设置一定的执行时间配额，防止高优先级任务一直占用资源。

关键代码框架示例

1. 线程池创建

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface ThreadPool : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSOperationQueue *operationQueue;

+ (instancetype)sharedThreadPool;
- (void)addTask:(NSBlockOperation *)task;

@end

@implementation ThreadPool

+ (instancetype)sharedThreadPool {
    static ThreadPool *sharedInstance = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        sharedInstance = [[ThreadPool alloc] init];
        sharedInstance.operationQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
        sharedInstance.operationQueue.maxConcurrentOperationCount = 5; // 根据需求调整
    });
    return sharedInstance;
}

- (void)addTask:(NSBlockOperation *)task {
    [self.operationQueue addOperation:task];
}

@end

2. 锁机制

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Resource : NSObject

@property (nonatomic, strong) NSRecursiveLock *resourceLock;

- (instancetype)init;
- (void)accessResource:(void (^)(void))block;

@end

@implementation Resource

- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        self.resourceLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    }
    return self;
}

- (void)accessResource:(void (^)(void))block {
    [self.resourceLock lock];
    block();
    [self.resourceLock unlock];
}

@end

3. 任务优先级处理

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface PriorityOperation : NSBlockOperation

@property (nonatomic, assign) NSInteger priority;

+ (instancetype)operationWithPriority:(NSInteger)priority block:(void (^)(void))block;

@end

@implementation PriorityOperation

+ (instancetype)operationWithPriority:(NSInteger)priority block:(void (^)(void))block {
    PriorityOperation *operation = [[PriorityOperation alloc] initWithBlock:block];
    operation.priority = priority;
    return operation;
}

@end

@interface PriorityQueue : NSOperationQueue

- (void)addOperationWithPriority:(NSInteger)priority block:(void (^)(void))block;

@end

@implementation PriorityQueue

- (void)addOperationWithPriority:(NSInteger)priority block:(void (^)(void))block {
    PriorityOperation *operation = [PriorityOperation operationWithPriority:priority block:block];
    [self addOperation:operation];
    [self.operations sortedArrayUsingComparator:^NSComparisonResult(PriorityOperation *op1, PriorityOperation *op2) {
        return op1.priority > op2.priority ? NSOrderedDescending : NSOrderedAscending;
    }];
}

@end