Objective-C高级编程之GCD篇

多线程编程是一项非常重要的技术，目前在iOS开发中比较流行的多线程方案是GCD和NSOperationQueue，本文将详细介绍如何使用GCD进行多线程编程。根据苹果的文档，GCD（Grand Central Dispatch）是一项提供了管理并发和异步执行任务的技术，开发者只需要将想要执行的任务追加到适当的dispatch queue中，GCD会为此生成必要的线程来执行任务。GCD使用非常简洁的语法实现了复杂的多线程编程方案，接下来我们深入认识它。

dispatch queue

GCD使用队列来实现多个任务的执行，队列分为两种，serial dispatch queue和concurrent dispatch queue，前者指队列中的任务会使用单一的线程逐个执行，而后者指队列中的任务会使用多个线程并行执行。我们可以自行创建这两种队列，方法如下：

dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create(@"cn.test.serial.queue", NULL);
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create(@"cn.test.concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_queue_create函数用于创建一个队列，方法的第一个参数为队列的标签（可为空，但并不推荐这样做），第二个参数指定队列的类型，当指定为NULL时即指serial dispatch queue，指定为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT时为concurrent dispatch queue，需要注意的是iOS6之后，GCD已经纳入了ARC的管理范围，所以不再需要手动调用相关retain/release方法。

事实上，苹果为我们提供了默认的dispatch queue，供我们使用，因此自行创建dispatch queue并不总是必要的。默认的队列有两种main dispatch queue和global dispatch queue，前者队列中的任务会在主线程中去执行，主线程只有一个，所以它是serial dispatch queue，而后者则属于concurrent dispatch queue，队列中的任务会并发执行，此队列有四种优先级可供选择，分别为DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH，DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT，DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW，DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND ，使用默认队列的方式是这样的：

//获取main dispatch queue
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
//获取global dispatch queue
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

dispatch_get_global_queue函数的第一个参数指定队列优先级，第二个参数默认写0即可

dispatch_async

我们使用dispatch_async向某个队列追加一项任务，async表明该方式是异步的，不会阻塞当前线程，使用方式如下

dispatch_async(serialQueue, ^ {
        NSLog(@"block");
 });

该函数第一个参数指定向哪个队列追加任务，第二个参数是一个block，表示要执行的任务。

dispatch_set_target_queue

该函数有两个功能，第一，可以指定某个队列的优先级和目标队列优先级一致，例如

dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create(@"cn.test.concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);
dispatch_set_target_queue(concurrentQueue, globalQueue);

我们创建的队列都是默认优先级，上述代码表示指定concurrentQueue优先级和globalQueue优先级一致。
第二，可用于改变队列的执行层次。举个例子，现有A，B， C三个serial dispatch queue，如果指定这三个队列的target queue为D serial dispatch queue，那么原本会并行执行的三个队列在D上就会串行执行，示例如下：

    dispatch_queue_t targetQueue = dispatch_queue_create("test.target.queue",NULL);  
    dispatch_queue_t queue1 = dispatch_queue_create("test.1", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);  
    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("test.2", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);  
    dispatch_queue_t queue3 = dispatch_queue_create("test.3", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);  
      
    dispatch_set_target_queue(queue1, targetQueue);  
    dispatch_set_target_queue(queue2, targetQueue);  
    dispatch_set_target_queue(queue3, targetQueue);  
      
    dispatch_async(queue1, ^{  
        NSLog(@"1 in");  
        [NSThread sleepForTimeInterval:3.f];  
        NSLog(@"1 out");  
    });  
    dispatch_async(queue2, ^{  
        NSLog(@"2 in");  
        [NSThread sleepForTimeInterval:2.f];  
        NSLog(@"2 out");  
    });  
    dispatch_async(queue3, ^{  
        NSLog(@"3 in");  
        [NSThread sleepForTimeInterval:1.f];  
        NSLog(@"3 out");  
    });  

//代码执行结果
 1 in  
 1 out  
 2 in  
 2 out  
 3 in  
 3 out

dispatch_after

该函数用于延时调用，例如当我们想要延时3秒执行某项任务时：

dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(3 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"test");
    });

其中第一个参数是时间，类型为dispatch_time_t，上例中直接使用dispatch_time函数生成，表示从现在开始3秒之后的时间，第二个参数是要在哪个队列中执行，上例为main dispatch queue，第三个参数为要执行的block，该函数实际上是在3秒之后向队列追加了一个block任务。

dispatch_group

当我们有多个线程在同时执行任务，我们希望在所有线程中的任务执行完毕后做某项处理，那么就可以将前面的多个线程加入到一个group中，group会监控线程中的任务是否执行完毕，执行完毕可以发送通知，之后我们就可以做某项处理。示例如下：

    dispatch_queue_t serialQueue1 = dispatch_queue_create("cn.test.serial.queue1", NULL);
    dispatch_queue_t serialQueue2 = dispatch_queue_create("cn.test.serial.queue2", NULL);
    dispatch_queue_t serialQueue3 = dispatch_queue_create("cn.test.serial.queue3", NULL);
    
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_group_async(group, serialQueue1, ^ {
        [NSThread sleepForTimeInterval:2];
        NSLog(@"test");
    });
    dispatch_group_async(group, serialQueue2, ^ {
        [NSThread sleepForTimeInterval:3];
        NSLog(@"test2");
    });
    dispatch_group_async(group, serialQueue3, ^ {
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        NSLog(@"test3");
    });
    
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^ {
        NSLog(@"finished");
    });

//代码执行结果
test3
test
test2
finished

dispatch_group_notify函数会在group中所有线程中的任务执行完毕后被调用，因此上例不论前面线程执行谁先谁后，最后执行的一定是主线程中的block。例如有时候我们会通过多线程的方式去下载一些资源，数据等，然后所有下载完毕后在主线程中进行UI更新，就可以这样用。
除了使用dispatch_group_notify来等待group中所有任务执行完毕外，还可以通过dispatch_group_wait函数来实现同样效果

    long ret = dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    if (ret == 0) {
        NSLog(@"finished");
    }else
    {
        NSLog(@"unfinished");
    }

需要说明的是该函数第二个参数是指等待时间，wait函数会使当前线程停止，等待直到：

在等待时间内，group中所有任务执行完毕，返回0
在等待时间内，group中任务没有执行完毕，超时返回非0

如上例所示，当设置时间为DISPATCH_TIME_FOREVER意味着永久等待，直到任务执行完毕。

dispatch_barrier_async

当我们需要多个线程对某个属性进行频繁的读写操作时，如果不对线程加以控制，很容易造成读写混乱，因此我们可能希望：当进行读操作时，可以多个线程同时读取以保证高效率，而进行写操作时，不可以有任何线程进行读操作，写入完毕，线程又可以并发读取属性值，这种情况barrier技术正好可以方便的解决问题，示例如下

    dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("cn.test.concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(concurrentQueue, ^ { /*读取*/ });
    dispatch_async(concurrentQueue, ^ { /*读取*/ });
    dispatch_async(concurrentQueue, ^ { /*读取*/ });
    dispatch_barrier_async(concurrentQueue, ^ { /*写入*/});
    dispatch_async(concurrentQueue, ^ { /*读取*/ });
    dispatch_async(concurrentQueue, ^ { /*读取*/ });

dispatch_sync

有dispatch_async，当然也就有dispatch_sync，该函数表示同步执行，即当前线程会等待sync中的任务执行完毕才继续往下执行，例如

    dispatch_queue_t serialQueue1 = dispatch_queue_create("cn.test.serial.queue1", NULL);
    dispatch_sync(serialQueue1, ^ {
        NSLog(@"test");
    });

在主线程中执行上述代码，当执行到dispatch_sync时，线程会进行等待，直到追加到serialQueue1中的block执行完毕，主线程才继续往下执行。这种同步调用如果不加注意，就容易造成线程死锁问题，例如在主线程中执行下述代码就会造成死锁问题，主线程停止，等待lock执行完毕，而追加到主线程的block因为主线程停止而永远不会被执行，于是产生死锁。

    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^ {
        NSLog(@"test");
    });

dispatch_apply

该函数与dispatch_sync有些关联，是指重复向某个队列追加block并等待全部block执行完毕后返回。例如当我们想遍历某个数组，对所有元素做些操作，可能会使用循环的方式，当数组非常大的时候，我们可能希望使用多线程去遍历数组所有元素来提高效率，那么就可以使用dispatch_apply，示例如下

    NSArray *array = /*数组赋值*/;
    dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("cn.test.concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_apply([array count], concurrentQueue, ^(size_t index) {
        NSLog(@"array item: %@", [array objectAtIndex:index]);
    });

dispatch_apply的第一个参数指重复追加的次数，第二个为执行的队列，第三个为要执行的block，和前面不同的是，block里有一个参数，这个参数用来标识追加到队列中的每个block。上述代码中所有block在执行完毕后才能执行后续代码。

dispatch_suspend/dispatch_resume

这一对函数非常简单，dispatch_suspend用于挂起队列，之后队列中所有任务都会暂停执行，dispatch_resume使队列从暂停状态恢复为继续执行状态。

dispatch semaphore

dispatch_semaphore可以实现更加精细化地对线程进行管理。semaphore是拥有计数的信号量，我们可以通过semaphore对多线程访问共享资源时进行精细化的排他控制，也可以通过semaphore实现并发线程数量的控制。
为了便于理解，我们举一个停车的例子，假设停车场只剩下两个车位，这时候同时来了三辆车，那么势必只能开入两辆车，另外一辆需要先一旁等待，直到有车离开停车位，等待的车才能开入，我们用信号量来实现这段逻辑：

    dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create(2);
    dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    
    dispatch_async(globalQueue, ^ {
        dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"into 1");
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        NSLog(@"out 1");
        dispatch_semaphore_signal(sema);
    });
    dispatch_async(globalQueue, ^ {
        dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"into 2");
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        NSLog(@"out 2");
        dispatch_semaphore_signal(sema);
    });
    dispatch_async(globalQueue, ^ {
        dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"into 3");
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        NSLog(@"out 3");
        dispatch_semaphore_signal(sema);
    });

//代码执行结果
2017-06-05 12:32:57.337284+0800 Demo[16270:3721871] into 1
2017-06-05 12:32:57.337416+0800 Demo[16270:3721882] into 2
2017-06-05 12:32:58.341023+0800 Demo[16270:3721882] out 2
2017-06-05 12:32:58.341199+0800 Demo[16270:3721871] out 1
2017-06-05 12:32:58.341402+0800 Demo[16270:3721870] into 3
2017-06-05 12:32:59.345365+0800 Demo[16270:3721870] out 3

操作信号量的主要有三个函数：
dispatch_semaphore_create用来创建信号量，参数表示初始的信号总量。
dispatch_semaphore_wait表示等待信号量，每执行一次信号量减1，第二个参数是指等待时间，DISPATCH_TIME_FOREVER意味着永久等待，该函数会使当前线程处于等待状态，直到以下两种情况才会返回：

在等待时间内，信号量大于等于1，这时wait函数返回0，信号量减1。
超出了等待时间，信号量依旧不满足大于等于1，wait函数因超时返回非0。

dispatch_semaphore_signal表示发送信号量，每执行一次信号量加1
我们也可以使用信号量对并发线程数量进行控制，示例如下：

    dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create(10);
    dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        dispatch_async(globalQueue, ^ {
            NSLog(@"test: %d", i);
            [NSThread sleepForTimeInterval:1];
            dispatch_semaphore_signal(sema);
        });
    }

该例可以这样理解，信号量初始为10，for循环在创建了10个线程后，信号量减为0，于是for循环就进行等待，直到某一个线程结束，增加了一个新的信号量，才能继续执行，这样便控制了并发数量不超过10个。

dispatch_once

该函数比较简单，常常用于单例的生成，它表示其代码块在程序中只会执行一次，用法如下：

    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        NSLog(@"some init...");
    });

虽然使用@synchronized也能保证单例的线程安全，但dispatch_once性能要远高于@synchronized，因此单例创建推荐使用dispatch_once

dispatch I/O

dispatch I/O是指使用多线程进行文件读取的技术。主要思想是当文件比较大时，我们可以将文件分段，然后使用多线程进行读取，再合并，这种方式可以大大提高文件读取速度。

dispatch source

dispatch source是指在内核发生各种事件时，开发者可以执行自定义处理的技术。内核中事件的类型有多种，最常见的一种是定时器事件，使用示例如下：

    dispatch_queue_t serialQueue1 = dispatch_queue_create("cn.test.serial.queue1", NULL);
    dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, serialQueue1);
    dispatch_source_set_timer(timer, DISPATCH_TIME_NOW, 2 * NSEC_PER_SEC, 0 * NSEC_PER_SEC);
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        NSLog(@"test");
    });
    dispatch_resume(timer);

上例创建了一个定时器，每两秒执行一次block块。dispatch_source_set_event_handler函数设置了每次定时器事件触发时执行的处理，通过dispatch_resume启动该定时器。
当需要取消该定时器时，可以通过dispatch_source_cancel取消，另外还可以指定取消时要执行的处理。

    dispatch_source_cancel(timer);
    dispatch_source_set_cancel_handler(timer, ^ {
        NSLog(@"cancel");
    });

最后

GCD是基于内核级别的实现，在性能上是非常优异的，而且它语法简洁，是一套非常好的多线程编程方案。

最后编辑于：2017.12.08 01:38:18

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