[译] GCD 系列(一)之—为什么选择 GCD

本文翻译自 Why GCD,个人觉得写得很不错,准备翻译一遍,查了一下却发现已经有前辈翻译过了,不过还是自己自动翻译了一遍,在不改变原意的前提下,做了一些修改,加入一些自己的理解。翻译有参考这篇 【译】为什么要用GCD? (Why GCD?)(侵删)。

这是 GCD 系列 文章的第一篇。

gcd-logo.png

选择 GCD 直接的说:是为了更好的并发任务。

在过去的十几年里,CPU 的速度提升遇到了瓶颈。为了能够获得更好的性能,CPU 厂商不断的给自己的机器增加处理器的核数。

CPU 发展史.png
来源

问题是,如果单纯的增加处理器的核数,而不知道如何让程序去利用也是徒劳。

并行处理的目的是为了能在同一时刻执行多个任务。然而实现起来比较困难,但是使用 GCD 可以比较容易的实现。

你不需要去编写一大段的代码来实现并发,只要使用 GCD,你就可以完成执行网络请求的同时不阻塞 UI 线程。这个过程涉及到任务在内核处理器之间的分发,都有 GCD 的底层替我们完成了。

在开始使用 GCD 前,我们先来看一个例子。

线程(Threads)

传统的并行执行方式是使用 Threads。一个多核的计算机,每新建一个线程就会分配给不同的处理器来并行的执行。

在单核的计算机中,内核处理器可以分割时间片,轮询执行所有的线程。在轮询速度非常快的情况下,就会给人一种任务在并行执行的感觉。

但是使用线程同时会有一些缺陷。在线程中数据读写是一个挑战,传递和控制线程之间的信号很难实现。即使可以解决高并发的任务,你也很难计算需要创建多少个线程。

因为创建或者销毁线程也需要一定的开销,一种解决方案是使用线程池,预创建一堆线程。不过,就需要你维护线程池,这也将增加你代码的复杂度。

同步(Synchronization)

当你并发多个线程的时候,你定会遇到它们同时在一个类里面执行的情况,这种情况被称为:竞态条件(race conditions),它的执行的结果会取决于线程执行的先后顺序。

这里有一个数据竞争的例子关于"银行账户的问题"。

@interface BankAccount: NSObject
@property (nonatomic, assign) double balance;
@end

// ...

// Create an account holding $100
BankAccount *account = [[BankAccount alloc] init];
account.balance = 100;

// ...

// Thread 1 - withdraw $10
void thread1() {
    double balance = account.balance;
    account.balance = balance - 10;
}

// ...

// Thread 2 - accrue 10% interest
void thread2() {
    double balance = account.balance;
    account.balance = balance * 1.10;
}

// account.balance = ?

账户最终的余额将取决于线程执行这块代码的顺序(这些线程是同时开始执行的)。

假设只有上面的这些代码,多线程执行会有几种可能?它们的值是多少?

竞态条件也可能在单核机器中发生。

这类问题的常用解决方法是采用对象同步,其中包括:

  • 信号量 - 只允许限定的资源被占用,其他线程需要等待。
  • 互斥锁 - 在同一时刻只允许一个线程执行。当一个线程加了互斥锁,其他线程必须等待。
  • 条件变量 - 线程必须等待条件变为 true 才能执行。

队列,队列,队列(Queues, queues, queues)

GCD 解决了线程管理和和同步的问题,并且把线程抽象到一个新的概念:队列。

简单来说,串行队列是串行执行任务的数据结构。一个程序可以创建多个队列,并且这些队列相互独立,加入每个队列的任务会按顺序的执行。

相比于线程,队列有明显的优势。首先,系统库会帮我们管理线程,队列在需要的时候把任务分配给线程,线程在不使用的时候会自动被销毁。其次,在每隔一段时间,系统库会根据我们需要执行的任务,为我们创建恰当数量的线程。最后,队列只在需要的时候才会去创建线程,开销低。因此一个应用程序可以有几十个队列而不会是资源耗尽。

简单的说:队列给你线程所有的功能,却不需要管理线程。

GCD 中有三种类型的队列:

  • 串行队列 - 同一时刻只执行一个任务,按顺序的进入队列。必须等一个任务执行结束下一个任务才能开始。
  • 并行队列 - 开始执行按顺序入队列的任务,不需要等待前面的任务直接结束就可以开始。
  • 主队列 - 在主线程中预先创建的串行队列。这个队列会同 NSRunLoop 进行交互。你的程序都是从这个队列开始执行的。

Blocks

使用队列,你需要先将任务(Blocks )入队列。

你可以使用函数调用的方式入队列,但是这一系列的文章将会专注于基于 block 的 API。

Blocks 是一个可以捕获上下文的代码块。这里是一个例子:

#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)();

Block printer(NSString *string) {
    return ^{
        NSLog(@"%@", string);
    };
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block a = printer(@"Hello");
        Block b = printer(@"World");

        a(); // prints "Hello"
        b(); // prints "World"
        a(); // prints "Hello" again
    }
    return 0;
}

上面的例子中,printer() 函数中的 Block 捕获一个 string 类型的变量,返回一个 Block。捕获的变量会在 Block 执行被使用。

Hello, Dispatch World!

我们已经拥有了使用 GCD 打印一句 Hello World 的所有条件。这里就是:

#import <Foundation/Foundation.h>

int main() {
    // Enqueue two blocks on the main queue.
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"Hello");
    });
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"World");
    });

    // Nothing is printed yet because we are also running in the main queue.

    dispatch_main(); // Print "Hello" "World".
    return -1; // Never called.
}

让我们来这些代码是如何运行的:

调用 dispatch_asyn() 告诉 GCD 把任务入队列,不用等待结果返回继续执行。例子中,在主队列中调用了两次 dispatch_asyn() 入主队列。

需要注意的是,提交任务到主队列的代码,没有立即执行,是因为提交操作是在主队列中进行的。需要等到 main() 函数执行「结束」时才开始执行提交的任务。

当调用 dispatch_main() 的时候, 将会阻塞 main() 函数,并开始执行其他入队列的任务。先执行打印 Hello,等完成之后接着执行打印 World。

如果你的程序使用 Foundation 框架,最好使用 [[NSRunLoop currentRunloop] run] 代替 dispatch_main()。因为后者不支持 run loop source 比如 NSTimer。

当主队列执行完毕,dispatch_main() 会被闲置,程序并不会终止。如果你想让你的程序运行完之后就终止。你可以在队列中调用 exit(0),动手试试吧。

恭喜,你已经写下了你的第一个 GCD 程序,在下一篇中,我们将讨论一下如何以同步的方式使用队列。

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