iOS多线程开发——GCD的使用与多线程开发浅析

Posted 2020-08-02 乞力马扎罗的雪CYF

        对于ios多线程开发，我们时刻处于学习之中，在看书中，看文档中，项目开发中，都可以去提高自己。最近刚看完了《Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理》这本书后，对多线程有了更为深入的理解，故在此做一个总结与记录。这本书是iOS开发者必读的书之一，写得很不错。书的封面如下，故也称狮子书：

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（1）多线程会遇到的问题

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多线程会出现什么问题呢？当多个线程对同一个数据进行修改的时候，会造成数据不一致的情况；当多个线程互相等待会造成死锁；过多的线程并发会大量消耗内存。所以多线程出现bug会严重影响App的功能和性能。

（2）多线程的作用

我们为什么一定要用多线程呢？只要有一个主线程不就可以了么。

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从图中可以看到，如果我们有一个很耗时的操作放到主线程中执行，那么会严重阻塞主线程的执行，导致主界面不能及时响应用户的操作，出现卡死状态。当创建多线程之后，我们可以把耗时操作放到其他线程中去执行，比如网络操作，图片的上传下载等，当执行成功后再回到主线程更新界面即可。所以，使用多线程是必要的。

（3）GCD中的队列——Dispatch Queue

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Dispatch Queue就是GCD中的调度队列，我们只要把任务添加到队列中去，线程就会按照顺序取出然后去执行，按照先进先出FIFO的原则。

（4）Dispatch Queue的种类

GCD中存在两种Dispatch Queue，一种是等待现在执行中处理的Serial Dispatch Queue（串行队列）;另一种是不等待现在执行中处理的Concurrent Dispatch Queue（并发队列）.

Serial Dispatch Queue:等待现在执行中处理结束；

Concurrent Dispatch Queue:不等待现在执行中处理结束，使用多个线程同时执行多个处理。

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Serial Dispatch Queue为什么一定要等待处理结束才去执行下一个处理呢？因为Serial Dispatch Queue只有一个线程，一个线程同一时间当然只能执行一个任务，所以后续任务必须要进行等待。

Concurrent Dispatch Queue由于可以创建多个线程，所以只要按顺序取出任务即可，把取出的任务放到不同的线程去执行，任务之间是否执行结束没有必然关系，所以不需要等待前一个处理结束，看起来就像是多个任务同时在执行一样，其实也的确是在同时执行。当然这个并发数量系统会有限制，我们代码也可以设置最大并发数。

看了以上的解释，就知道Serial Dispatch Queue、Concurrent Dispatch Queue和线程的关系了，关系如下：

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（5）多个Serial Dispatch Queue实现并发，以及遇到的问题

      当生成多个Serial Dispatch Queue时，各个Serial Dispatch Queue将并行执行。虽然在一个Serial Dispatch Queue中同时只能执行一个追加处理，但是如果将处理分别追加到4个Serial Dispatch Queue中，各个Serial Dispatch Queue执行一个，即可以同时执行四个处理。

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虽然这种笨办法也可以实现并发，但是也会遇到大问题，那就是消耗大量内存：

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（6）资源竞争问题的解决

当多个线程对同一数据进行操作时可造成竞争或者数据不一致。最简单的解决办法就是使用Serial Dispatch Queue。Serial Dispatch Queue只创建一个线程，而一次只能执行一个任务，只有当该任务执行结束才能去执行下一个，所以同一时间对某个竞争资源的访问是唯一的。示意图如下：

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（7）生成的Dispatch Queue必须由程序员释放。这是因为Dispatch Queue并没有像Block那样具有作为OC对象来处理的技术。通过dispatch_queue_create函数生成的Dispatch Queue在使用结束后通过dispatch_release释放。看个下面的例子：

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这样立即释放queue是否有问题呢？

在dispatch_async函数中追加Block到Dispatch Queue后，即使立即释放Dispatch Queue，该Dispatch Queue由于被Block持有也不会被废弃，因而Block能够执行。Block执行结束后会释放Dispatch Queue，这时谁都不持有Dispatch Queue，因此它会被废弃。

（8）系统标准提供的Dispatch Queue

-- Main Dispatch Queue：在主线程中执行的queue，因为主线程只有一个，所以Main Dispatch Queue自然就是Serial Dispatch Queue。追加到Main Dispatch Queue的处理在主线程的RunLoop中执行。

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-- Global Dispatch Queue：是所有应用程序都能够使用的Concurrent Dispatch Queue,没有必要通过dispatch_queue_create函数逐个生成Concurrent Dispatch Queue，只要获取Global Dispatch Queue即可。其中有四个优先级，但是用于Global Dispatch Queue的线程并不能保证实时性，因此执行优先级只是大致的判断。

对于Main Dispatch Queue和Global Dispatch Queue执行dispatch_retain函数和dispatch_release函数不会引起任何变化，也不会有任何问题。这也是获取并使用Global Dispatch Queue比生成、使用、释放Concurrent Dispatch Queue更轻松的原因。

（9）dispatch_set_target_queue:改变生成的Dispatch Queue的执行优先级

指定要变更执行优先级的Dispatch Queue为dispatch_set_target_queue函数的第一个参数，指定与要使用的执行优先级相同的Global Dispatch Queue为第二个参数（目标），第一个参数如果指定系统提供的Main Dispatch Queue和Global Dispatch Queue，则不会知道出现什么状态，因此这些均不可指定。

（10）dispatch_after:延迟执行

NSEC_PER_SEC:秒

NSEC_PER_MSEC:毫秒

（11）dispatch_barrier_async

会等待追加到Concurrent Dispatch Queue上的并行执行的处理全部结束之后，再将指定的处理追加到该Concurrent Dispatch Queue中。然后在由dispatch_barrier_async函数追加的处理执行完毕后，Concurrent Dispatch Queue才恢复为一般的动作，追加到该Concurrent Dispatch Queue的处理又开始并行执行。示意图如下：

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（12）dispatch_async

将指定的block“非同步”的追加到指定的Dispatch Queue中，dispatch_async函数不做任何等待。

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（13）dispatch_sync造成的问题

一旦调用dispatch_sync函数，那么在指定的处理执行结束之前，该函数不会返回。但是dispatch_sync容易造成死锁。

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该源代码在Main Dispatch Queue即主线程中执行指定的Block，并等待其执行结束。而其实在主线程中正在执行这些源代码，所以无法执行追加到Main Dispatch Queue的Block。下面的例子也一样：

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Main Dispatch Queue中执行的Block等待Main Dispatch Queue中要执行的Block执行结束。当然Serial Dispatch Queue也会引起相同的问题。

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（14）dispatch_apply

dispatch_apply函数是dispatch_sync函数和Dispatch Group的关联API。该函数按指定的次数将指定的Block追加到指定的Dispatch Queue中，并等到全部处理结束。

因为在Global Dispatch Queue中执行处理，所以各个处理的执行时间不定，是不进行等待的追加任务。但是输出结果中最后的done必定在最后的位置上。这是因为dispatch_apply函数会等待全部处理执行结束。

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由于dispatch_apply函数也与dispatch_sync函数相同，会等待处理执行结束，因此推荐在dispatch_async函数中非同步的执行dispatch_apply函数。

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（15）dispatch_suspend/dispatch_resume

当追加大量处理到Dispatch Queue时，在追加处理的过程中，有时希望不执行已追加的处理。在这种情况下，只要挂起Dispatch Queue即可。当可以执行时再恢复。

-- dispatch_suspend函数挂起指定的Dispatch Queue：

dispatch_suspend(queue);

dispatch_resume函数恢复指定的Dispatch Queue：

dispatch_resume(queue);

这些函数对已经执行的处理没有影响。挂起后，追加到Dispatch Queue中但尚未执行的处理在此之后停止执行。而恢复则使得这些处理能够继续执行。

（16）Dispatch Semaphore

当不使用信号量的时候出现的bug.

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这里使用Global Dispatch Queue更新NSMutableArray类对象，所以执行后由内存错误导致应用程序异常结束的概率很高。

Dispatch Semaphore是持有计数信号，该计数是多线程编程中的计数类型信号。计数为0时等待，计数为1或者大于1时，减去1而不等待。

创建semaphore：

参数表示计数的初始值。

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dispatch_semaphore_wait函数等待Dispatch Semaphore的计数值达到或者等于1.当计数值大于等于1，或者在等待中计数值大于等于1时，对该计数进行减法并从dispatch_semaphore_wait函数返回。

semaphore可以进行以下分支处理：

dispatch_semaphore_wait函数返回0时，可安全的执行需要进行排他控制的处理。该处理结束时通过dispatch_semaphore_signal函数将Dispatch Semaphore的计数数值加1.

案例：

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（17）dispatch_once

dispatch_once函数是保证在应用程序执行中只执行一次指定处理的API。下面这种经常出现的用来初始化的源代码可通过dispatch_once函数简化：
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在多核CPU中，在正在更新表示是否初始化的标志变量时读取，就有可能多次执行初始化处理。而用dispatch_once函数初始化就不用担心了。这就是单例模式，在生成单例对象时使用。

（18）GCD的基本实现与描述

苹果官方说明：通常，应用程序中编写的线程管理用的代码要在系统级实现。

什么是系统级实现？就是在iOS和macOS的核心XNU内核级上实现。因此，无论程序员如何努力编写管理线程的代码，在性能方面也不可能胜过XNU内核级所实现的GCD。

用于实现Dispatch Queue而使用的软件组件：

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Dispatch Queue没有“取消”这一概念。一旦将处理追加到Dispatch Queue中，就没有办法可以将该处理删除，也没有办法就执行中取消该处理。