iOS多线程编程--GCD

Posted 2022-12-13 乌戈勒

前言：

ios支持多个层次的多线程编程，层次越高的抽象程度越高，使用也越方便。

根据抽象层次从低到高依次列出iOS所支持的多线程编程方法：

1.Thread ：是三种方法里面相对轻量级的，但需要管理线程的生命周期、同步、加锁问题，
这会导致一定的性能开销。

2.Cocoa Operations：是基于OC实现的，NSOperation以面向对象的方式封装了需要执行的操作，不必关心线程管理、同步等问题。
NSOperation是一个抽象基类，我们需要实例化NSOperation的具体子类来进行多线程开发。

3.Grand Central Dispatch：简称GCD，iOS4才开始支持.
提供了一些新特性、运行库来支持多核并行编程，它的关注点更高：如何在多个cpu上提升效率

了解NSOperation点这里

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一、简介

1、什么是GCD？

在iOS所有实现多线程的方案中，GCD应该是最有魅力的，因为GCD本身是苹果公司为多核的并行运算提出的解决方案。

GCD在工作时会自动利用更多的处理器核心，以充分利用更强大的机器。GCD是Grand Central Dispatch的简称，它是基于C语言的，译为“牛逼的中枢调度器”。

如果使用GCD，完全由系统管理线程，我们不需要编写线程代码。只需定义想要执行的任务,然后添加到适当的调度队列(dispatch queue)。GCD会负责创建线程和调度你的任务，系统直接提供线程管理。

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2、GCD的优势

1、GCD会自动利用更多的CPU内核（比如双核、四核）；

2、GCD会自动管理线程的生命周期（创建线程、调度任务、销毁线程）；

3、程序员只需要告诉GCD想要执行什么任务，不需要编写任何线程管理的代码。

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二、任务和队列

1、GCD中有2个核心的概念

1、任务：执行什么操作

2、队列：用来存放任务
将长期运行的任务拆分成多个工作单元，并将这些单元添加到dispath queue中，系统会为我们管理这些dispath queue，
为我们在多个线程上执行工作单元，我们不需要直接启动和管理后台线程。

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2、执行顺序FIFO

1、GCD的dispath queue严格遵循FIFO(先进先出)原则。
添加到dispath queue的工作单元将始终按照加入dispath queue的顺序启动。

2、dispatch queue按先进先出的顺序，串行或并发地执行任务。
将任务添加到队列中，GCD会自动将队列中的任务取出，放到对应的线程中执行。

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3、同步和异步的区别

    1、同步：在当前线程中执行；
    2、异步：在另一条线程中执行。

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三、队列

1、队列的类型

1、并发dispatch queue

1、可以同时并行地执行多个任务，不过并发queue仍然按先进先出的顺序来启动任务。
并发queue会在之前的任务完成之前就出列下一个任务并开始执行。

2、系统给每个应用提供三个并发dispatch queue，整个应用内全局共享，三个queue的区别是优先级。

3、你不需要显式地创建这些queue，使用dispatch_get_global_queue函数来获取这三个queue。

4、虽然dispatch queue是引用计数的对象，但你不需要retain和release全局并发queue。
因为这些queue对应用是全局的，retain和release调用会被忽略。

5、你也不需要存储这三个queue的引用，每次都直接调用dispatch_get_global_queue获得queue就行了。

// 获取默认优先级的全局并发dispatch queue  
dispatch_queue_t  queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0); 

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2、串行dispatch queue

1、应用的任务需要按特定顺序执行时，就需要使用串行dispatch Queue，串行queue每次只能执行一个任务。

2、保证任务按可预测的顺序执行，而且只要你异步地提交任务到串行queue，就永远不会产生死锁。

3、你必须显式地创建和管理所有你使用的串行queue，应用可以创建任意数量的串行queue，但不要为了同时执行更多任务而创建更多的串行queue。
如果你需要并发地执行大量任务，应该把任务提交到全局并发queue。

dispatch_queue_t queue;  
queue = dispatch_queue_create("com.gcd.queue", NULL); 

1、并发队列（Concurrent Dispatch Queue）
可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务）

2、串行队列（Serial Dispatch Queue）
让任务一个接着一个地执行（一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）

注意：
并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效。

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2、概念的混淆

• 比较容易混淆的术语：同步、异步、并发、串行。

  同步和异步决定了要不要开启新的线程
  1、同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力；
  2、异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力。
  
  并发和串行决定了任务的执行方式
  3、并发：多个任务并发（同时）执行；
  4、串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务。
  

• 说明：

  1、同步函数不具备开启线程的能力，无论是什么队列都不会开启线程，所以，并发功能只有在异步函数下才有效；

  2、异步函数具备开启线程的能力，开启几条线程由队列决定（串行队列只会开启一条新的线程，并发队列会开启多条线程）。

  同步函数：
  1、并发队列：不会开线程
  2、串行队列：不会开线程
  
  异步函数：
  1、并发队列：能开启N条线程
  2、串行队列：开启1条线程
  

• 补充：

  1、凡是函数中，各种函数名中带有create\\copy\\new\\retain等字眼，都需要在不需要使用这个数据的时候进行release。

  2、GCD的数据类型在ARC的环境下不需要再做release。

  3、CF（core Foundation）的数据类型在ARC环境下还是需要做release。

  4、异步函数具备开线程的能力，但不一定会开线程。

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3、如何获取队列？

串行队列的获取方式：
1、使用dispatch_queue_create函数创建串行队列SERIAL QUEUE；
2、使用dispatch_get_main_queue()获得主队列

并发队列的获取方式：
1、使用dispatch_get_global_queue函数获得全局的并发队列；
2、使用dispatch_queue_create函数创建并发队列CONCURRENT QUEUE；

注意：
绝对不要在任务中调用 dispatch_sync或dispatch_sync_f函数，并同步调度新任务到当前正在执行的 queue。对于串行queue这一点特别重要，因为这样做肯定会导致死锁，而并发queue也应该避免这样做。

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4、各种队列的执行效果

比较	全局并发队列	手动创建串行队列	主队列
同步sync	“没有”开启新线程，”串行”执行	“没有”开启新线程，”串行”执行	“没有”开启新线程，”串行”执行
异步async	“有”开启新线程,”并发”执行	“有”开启新线程,”串行”执行	“没有”开启新线程,”串行”执行

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四、如何添加任务到队列

要执行一个任务，你需要将它添加到一个适当的dispatch queue，你可以单个或按组来添加，也可以同步或异步地执行一个任务。
一旦进入到queue中，queue会负责尽快地执行你的任务。
一般可以用一个block来封装任务内容。

1、添加单个任务到queue

1、用同步的方式执行任务 
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
注意：绝对不要在任务中调用 dispatch_sync或dispatch_sync_f函数，并同步调度新任务到当前正在执行的queue。
对于串行queue这一点特别重要，因为这样做肯定会导致死锁；而并发queue也应该避免这样做。

2、用异步的方式执行任务 
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

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2、并发地执行循环迭代

如果你使用循环执行固定次数的迭代，并发dispatch queue可能会提高性能。

int i;  
int count = 10;  
for (i = 0; i < count; i++)   
   printf("%d  ",i);  
 

如果每次迭代执行的任务与其它迭代独立无关，而且循环迭代执行顺序也无关紧要的话，你可以调用dispatch_apply或dispatch_apply_f函数来替换循环。

这两个函数为每次循环迭代将指定的block或函数提交到queue。当dispatch到并发 queue时，就有可能同时执行多个循环迭代。

用dispatch_apply或dispatch_apply_f时你可以指定串行或并发 queue。并发queue允许同时执行多个循环迭代，而串行queue就没太大必要使用了。

下面代码使用dispatch_apply替换了for循环，你传递的block必须包含一个size_t类型的参数，用来标识当前循环迭代。
第一次迭代这个参数值为0，最后一次值为count - 1。

// 获得全局并发queue  
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  
size_t count = 10;  
dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i)   
    printf("%zd ", i);  
);  
// 销毁队列  
dispatch_release(queue);

注意：

1、这些迭代是并发执行的，和普通for循环一样，dispatch_apply和dispatch_apply_f函数也是在所有迭代完成之后才会返回，因此这两个函数会阻塞当前线程。

2、主线程中调用这两个函数必须小心，可能会阻止事件处理循环并无法响应用户事件。
所以如果循环代码需要一定的时间执行，可以考虑在另一个线程中调用这两个函数。

3、如果你传递的参数是串行queue，而且正是执行当前代码的queue，就会产生死锁。

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3、在主线程中执行任务

1、GCD提供一个特殊的dispatch queue，可以在应用的主线程中执行任务。

只要应用主线程设置了run loop(由CFRunLoopRef类型或NSRunLoop对象管理)，就会自动创建这个queue，并且最后会自动销毁。
非Cocoa应用如果不显式地设置run loop，就必须显式地调用dispatch_main函数来显式地激活这个dispatch queue，
否则虽然你可以添加任务到queue，但任务永远不会被执行。

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2、任务中使用Objective-C对象。

GCD支持Cocoa内存管理机制，因此可以在提交到queue的block中自由地使用Objective-C对象。

每个dispatch queue维护自己的autorelease pool确保释放autorelease对象，但是queue不保证这些对象实际释放的时间。

如果应用消耗大量内存，并且创建大量autorelease对象，你需要创建自己的autorelease pool，用来及时地释放不再使用的对象。

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4、暂停和继续queue

我们可以使用dispatch_suspend函数暂停一个queue以阻止它执行block对象，使用dispatch_resume函数继续dispatch queue。

调用dispatch_suspend会增加queue的引用计数，调用dispatch_resume则减少queue的引用计数。当引用计数大于0时，queue就保持挂起状态。因此你必须对应地调用suspend和resume函数。

挂起和继续是异步的，而且只在执行block之间（比如在执行一个新的block之前或之后）生效，挂起一个queue不会导致正在执行的block停止。