iOS -- 多线程与GCD的应用

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本篇博客共分以下几个模块来介绍GCD的相关内容:

  • 多线程相关概念
  • 多线程编程技术的优缺点比较?
  • GCD中的三种队列类型
  • The main queue(主线程串行队列)
  • Global queue(全局并发队列)
  • Custom queue (自定义队列)
  • Group queue (队列组)
  • GCD中一些系统提供的常用dispatch方法

多线程相关概念

进程与线程
  • 进程概念: 进程是程序在计算机上的一次执行活动,打开一个app,就开启了一个进程,可包含多个线程。
  • 线程概念: 独立执行的代码段,一个线程同时间只能执行一个任务,反之多线程并发就可以在同一时间执行多个任务。
  • iOS程序中,主线程(又叫做UI线程)主要任务是处理UI事件,显示和刷新UI(只有主线程有直接修改UI的能力)耗时的操作放在子线程(又叫做后台线程、异步线程)。在iOS中开子线程去处理耗时的操作,可以有效提高程序的执行效率,提高资源利用率。但是开启线程会占用一定的内存(主线程的堆栈大小是1M,第二个线程开始都是512KB,并且该值不能通过编译器开关或线程API函数来更改)降低程序的性能。所以一般不要同时开很多线程。
线程相关
  • 同步线程:同步线程会阻塞当前线程去执行线程内的任务,执行完之后才会返回当前线程
  • 异步线程:异步线程不会阻塞当前线程,会开启其他线程内的任务。
  • 串行队列:线程任务按先后顺序逐个执行(需要等待队列里面前面的任务执行完之后在执行新的任务)。
  • 并发队列:多个任务添加顺序一起开始执行(不用等待前面的任务执行完再执行新的任务)但是添加间隔往往忽略不计,所以看着像是一起执行的。
  • 并发VS并行:并行是基于多核设备的,并行一定是并发,并发不一定是并行。
多线程中会出现的问题
  • Critical Section(临界代码段)
    指的是不能同时被两个线程访问的代码段,比如一个变量,被并发进程访问后可能会改变变量值,造成数据污染(数据共享问题)。

  • Race Condition (竞态条件)
    当多个线程同时访问共享的数据时,会发生争用情形,第一个线程读取改变了一个变量的值,第二个线程也读取改变了这个变量的值,两个线程同时操作了该变量,此时他们会发生竞争来看哪个线程会最后写入这个变量,最后被写入的值将会被保留下来。

  • Deadlock (死锁)
    两个(多个)线程都要等待对方完成某个操作才能进行下一步,这时就会发生死锁。

  • Thread Safe(线程安全)
    一段线程安全的代码(对象),可以同时被多个线程或并发的任务调度,不会产生问题,非线程安全的只能按次序被访问。
    所有Mutable对象都是非线程安全的,所有Immutable对象都是线程安全的,使用Mutable对象,一定要用同步锁来同步访问(@synchronized)。

  • 互斥锁:能够防止多线程抢夺造成的数据安全问题,但是需要消耗大量的资源

  • 原子属性(atomic)加锁

    • atomic: 原子属性,为setter方法加锁,将属性以atomic的形式来声明,该属性变量就能支持互斥锁了。
  • nonatomic: 非原子属性,不会为setter方法加锁,声明为该属性的变量,客户端应尽量避免多线程争夺同一资源。

  • Context Switch (上下文切换)
    当一个进程中有多个线程来回切换时,context switch用来记录执行状态,这样的进程和一般的多线程进程没有太大差别,但会产生一些额外的开销。

多线程编程技术的优缺点比较

  • NSThread(抽象层次:低)
  • 优点:轻量级,简单易用,可以直接操作线程对象
  • 缺点:需要自己管理线程的生命周期,线程同步。线程同步对数据的加锁会有一定的系统开销
  • Cocoa NSOperation (抽象层次:中)
  • 优点:不需要关心线程管理,数据同步的事情,可以把精力放在学要执行的操作上。基于GCD,是对GCD 的封装,比GCD更加面向对象
  • 缺点: NSOperation是个抽象类,使用它必须使用它的子类,可以实现它或者使用它定义好的两个子类NSInvocationOperation、NSBlockOperation.
  • GCD 全称Grand Center Dispatch (抽象层次:高)
GCD的抽象层次最高,使用也简单,因此,苹果也推荐使用GCD
  • 优点:是 Apple 开发的一个多核编程的解决方法,简单易用,效率高,速度快,基于C语言,更底层更高效,并且不是Cocoa框架的一部分,自动管理线程生命周期(创建线程、调度任务、销毁线程)。
  • 缺点: 使用GCD的场景如果很复杂,就有非常大的可能遇到死锁问题。

GCD中的三种队列类型

GCD编程的核心就是dispatch队列,dispatch block的执行最终会放进某个队列中去进行。
  • the main queue(主线程串行队列): 与主线程功能相同,提交至 Main queue的任务会在主线程中执行,
  • Main queue 可以通过dispatch_get_main_queue()来获取。
  • Global queue(全局并发队列): 全局并发队列由整个进程共享,有高、中(默认)、低、后台四个优先级别。
  • Global queue 可以通过调用dispatch_get_global_queue函数来获取(可以设置优先级)
  • Custom queue (自定义队列): 可以为串行,也可以为并发。
  • Custom queue 可以通过dispatch_queue_create()来获取;
  • Group queue (队列组):将多线程进行分组,最大的好处是可获知所有线程的完成情况。
  • Group queue 可以通过调用dispatch_group_create()来获取,通过 - dispatch_group_notify,可以直接监听组里所有线程完成情况。

The main queue(主线程串行队列)

dispatch_sync 同步执行任务函数,不会开启新的线程,dispatch_async 异步执行任务函数,会开启新的线程

  • 获取主线程串行队列
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
  • 主线程串行队列同步执行任务,在主线程运行时,会产生死锁
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_sync(mainQueue,^{
NSLog("MainQueue"); 
});

程序正常运行,block中的代码正常运行

  • 从子线程,异步返回主线程更新UI<这种使用方式比较多>
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_async(globalQueue, ^{
    //子线程异步执行下载任务,防止主线程卡顿
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://www.baidu.com"];
    NSError *error;
    NSString *htmlData = [NSString stringWithContentsOfURL:url encoding:NSUTF8StringEncoding error:&error];
    if (htmlData != nil) {
        dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
        //异步返回主线程,根据获取的数据,更新UI
        dispatch_async(mainQueue, ^{
            NSLog(@"根据更新UI界面");
        });
    } else {
        NSLog(@"error when download:%@",error);
    }
});

主线程串行队列由系统默认生成的,所以无法调用dispatch_resume()和dispatch_suspend()来控制执行继续或中断。

Global queue(全局并发队列)

耗时的操作,比如读取网络数据,IO,数据库读写等,我们会在另外一个线程中处理这些操作,然后通知主线程更新界面

  • 获取全局并发队列
//程序默认的队列级别,一般不要修改,DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT == 0
dispatch_queue_t globalQueue1 = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
//HIGH
dispatch_queue_t globalQueue2 = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);
//LOW
dispatch_queue_t globalQueue3 = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0);
//BACKGROUND
dispatch_queue_t globalQueue4 = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0);
  • 全局并发队列同步执行任务,在主线程执行会导致页面卡顿。
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
NSLog(@"current task");
dispatch_sync(globalQueue, ^{
    sleep(2.0);
    NSLog(@"sleep 2.0s");
});
NSLog(@"next task");

控制台输出如下:

2015-11-18 15:50:14.999 Whisper[33073:343781] current task
2015-11-18 15:50:15.000 Whisper[33073:343781] next task
2015-11-18 15:50:17.004 Whisper[33073:343841] sleep 2.0s

主线程不用等待2s钟,继续执行block代码段后面的代码。

  • 多个全局并发队列,异步执行任务。
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
NSLog(@"current task");
dispatch_async(globalQueue, ^{
    NSLog(@"最先加入全局并发队列");
});
dispatch_async(globalQueue, ^{
    NSLog(@"次加入全局并发队列");
});
NSLog(@"next task");

控制台输出如下:

2015-11-18 16:54:52.202 Whisper[39827:403208] current task
2015-11-18 16:54:52.203 Whisper[39827:403208] next task
2015-11-18 16:54:52.205 Whisper[39827:403309] 最先加入全局并发队列
2015-11-18 16:54:52.205 Whisper[39827:403291] 次加入全局并发队列

异步线程的执行顺序是不确定的。几乎同步开始执行
全局并发队列由系统默认生成的,所以无法调用dispatch_resume()和dispatch_suspend()来控制执行继续或中断。

Custom queue (自定义队列)

自定义串行队列

  • 获取自定义串行队列
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
NSLog(@"%s",dispatch_queue_get_label(conCurrentQueue)) ;
  • 控制台输出:
2015-11-19 11:05:34.469 Whisper[1223:42960] com.dullgrass.serialQueue

dispatch_queue_create(const char *label, dispatch_queue_attr_t attr)函数中第一个参数是给这个queue起的标识,这个在调试的可以看到是哪个队列在执行,或者在crash日志中,也能做为提示。第二个是需要创建的队列类型,是串行的还是并发的

  • 自定义串行队列同步执行任务
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
NSLog(@"current task");
dispatch_sync(serialQueue, ^{
    NSLog(@"最先加入自定义串行队列");
    sleep(2);
});
dispatch_sync(serialQueue, ^{
    NSLog(@"次加入自定义串行队列");
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出:
2015-11-18 17:09:40.025 Whisper[40241:416296] current task
2015-11-18 17:09:40.027 Whisper[40241:416296] 最先加入自定义串行队列
2015-11-18 17:09:43.027 Whisper[40241:416296] 次加入自定义串行队列
2015-11-18 17:09:43.027 Whisper[40241:416296] next task

当前线程等待串行队列中的子线程执行完成之后再执行,串行队列中先进来的子线程先执行任务,执行完成后,再执行队列中后面的任务。

  • 自定义串行队列嵌套执行同步任务,产生死锁
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(serialQueue, ^{   //该代码段后面的代码都不会执行,程序被锁定在这里
       NSLog(@"会执行的代码");
       dispatch_sync(serialQueue, ^{
           NSLog(@"代码不执行");
       });
});
  • 异步执行串行队列,嵌套同步执行串行队列,同步执行的串行队列中的任务将不会被执行,其他程序正常执行
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(serialQueue, ^{
        NSLog(@"会执行的代码");
        dispatch_sync(serialQueue, ^{
            NSLog(@"代码不执行");
        });
});

注意不要嵌套使用同步执行的串行队列任务

自定义并发队列

  • 获取自定义并发队列
dispatch_queue_t conCurrentQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.conCurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
  • 自定义并发队列执行同步任务
dispatch_queue_t conCurrentQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.conCurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
NSLog(@"current task");
dispatch_sync(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"先加入队列");
});
dispatch_sync(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"次加入队列");
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 10:36:23.259 Whisper[827:20596] current task
2015-11-19 10:36:23.261 Whisper[827:20596] 先加入队列
2015-11-19 10:36:23.261 Whisper[827:20596] 次加入队列
2015-11-19 10:36:23.261 Whisper[827:20596] next task
  • 自定义并发队列嵌套执行同步任务(不会产生死锁,程序正常运行)
dispatch_queue_t conCurrentQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.conCurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
NSLog(@"current task");
dispatch_sync(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"先加入队列");
    dispatch_sync(conCurrentQueue, ^{
        NSLog(@"次加入队列");
    });
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 10:39:21.301 Whisper[898:22273] current task
2015-11-19 10:39:21.303 Whisper[898:22273] 先加入队列
2015-11-19 10:39:21.303 Whisper[898:22273] 次加入队列
2015-11-19 10:39:21.303 Whisper[898:22273] next task
  • 自定义并发队列执行异步任务
dispatch_queue_t conCurrentQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.conCurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
NSLog(@"current task");
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"先加入队列");
});
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"次加入队列");
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 10:45:22.290 Whisper[1050:26445] current task
2015-11-19 10:45:22.290 Whisper[1050:26445] next task
2015-11-19 10:45:22.290 Whisper[1050:26505] 次加入队列
2015-11-19 10:45:22.290 Whisper[1050:26500] 先加入队列

异步执行任务,开启新的子线程,不影响当前线程任务的执行,并发队列中的任务,几乎是同步执行的,输出顺序不确定

Group queue (队列组)

当遇到需要执行多个线程并发执行,然后等多个线程都结束之后,再汇总执行结果时可以用group queue

  • 使用场景: 同时下载多个图片,所有图片下载完成之后去更新UI(需要回到主线程)或者去处理其他任务(可以是其他线程队列)。
  • 原理:使用函数dispatch_group_create创建dispatch group,然后使用函数dispatch_group_async来将要执行的block任务提交到一个dispatch queue。同时将他们添加到一个组,等要执行的block任务全部执行完成之后,使用dispatch_group_notify函数接收完成时的消息。
  • 使用示例:
dispatch_queue_t conCurrentGlobalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_group_t groupQueue = dispatch_group_create();
NSLog(@"current task");
dispatch_group_async(groupQueue, conCurrentGlobalQueue, ^{
    NSLog(@"并行任务1");
});
dispatch_group_async(groupQueue, conCurrentGlobalQueue, ^{
    NSLog(@"并行任务2");
});
dispatch_group_notify(groupQueue, mainQueue, ^{
    NSLog(@"groupQueue中的任务 都执行完成,回到主线程更新UI");
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出
2015-11-19 13:47:55.117 Whisper[1645:97116] current task
2015-11-19 13:47:55.117 Whisper[1645:97116] next task
2015-11-19 13:47:55.119 Whisper[1645:97178] 并行任务1
2015-11-19 13:47:55.119 Whisper[1645:97227] 并行任务2
2015-11-19 13:47:55.171 Whisper[1645:97116] groupQueue中的任务 都执行完成,回到主线程更新UI
  • 在当前线程阻塞的同步等待dispatch_group_wait
dispatch_group_t groupQueue = dispatch_group_create();
dispatch_time_t delayTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 10 * NSEC_PER_SEC);
dispatch_queue_t conCurrentGlobalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
NSLog(@"current task");
dispatch_group_async(groupQueue, conCurrentGlobalQueue, ^{
    
    long isExecuteOver = dispatch_group_wait(groupQueue, delayTime);
    if (isExecuteOver) {
        NSLog(@"wait over");
    } else {
        NSLog(@"not over");
    }
    NSLog(@"并行任务1");
});
dispatch_group_async(groupQueue, conCurrentGlobalQueue, ^{
    NSLog(@"并行任务2");
});
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 14:37:29.514 Whisper[2426:126683] current task
2015-11-19 14:37:29.518 Whisper[2426:126791] 并行任务2
2015-11-19 14:37:39.515 Whisper[2426:126733] wait over
2015-11-19 14:37:39.516 Whisper[2426:126733] 并行任务1

dispatch_time(dispatch_time_t when, int64_t delta);
参数注释:
第一个参数一般是DISPATCH_TIME_NOW,表示从现在开始
第二个参数是延时的具体时间
延时1秒可以写成如下几种:
NSEC_PER_SEC----每秒有多少纳秒
dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1NSEC_PER_SEC);
USEC_PER_SEC----每秒有多少毫秒(注意是指在纳秒的基础上)
dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1000
USEC_PER_SEC); //SEC---毫秒
NSEC_PER_USEC----每毫秒有多少纳秒。
dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,
USEC_PER_SEC*NSEC_PER_USEC);SEC---纳秒

GCD中一些系统提供的常用dispatch方法

  • dispatch_after延时添加到队列
    使用示例:
dispatch_time_t delayTime3 = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 3*NSEC_PER_SEC);
dispatch_time_t delayTime2 = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 2*NSEC_PER_SEC);
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
NSLog(@"current task");
dispatch_after(delayTime3, mainQueue, ^{
    NSLog(@"3秒之后添加到队列");
});
dispatch_after(delayTime2, mainQueue, ^{
    NSLog(@"2秒之后添加到队列");
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 15:50:19.369 Whisper[2725:172593] current task
2015-11-19 15:50:19.370 Whisper[2725:172593] next task
2015-11-19 15:50:21.369 Whisper[2725:172593] 2秒之后添加到队列
2015-11-19 15:50:22.654 Whisper[2725:172593] 3秒之后添加到队列

dispatch_after只是延时提交block,并不是延时后立即执行,并不能做到精确控制,需要精确控制的朋友慎用哦

  • dispatch_apply在给定的队列上多次执行某一任务,在主线程直接调用会阻塞主线程去执行block中的任务。

  • dispatch_apply函数的功能:把一项任务提交到队列中多次执行,队列可以是串行也可以是并行,dispatch_apply不会立刻返回,在执行完block中的任务后才会返回,是同步执行的函数。

  • dispatch_apply正确使用方法:为了不阻塞主线程,一般把dispatch_apply放在异步队列中调用,然后执行完成后通知主线程

  • 使用示例:

dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
NSLog(@"current task");
dispatch_async(globalQueue, ^{
    dispatch_queue_t applyQueue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    //第一个参数,3--block执行的次数
    //第二个参数,applyQueue--block任务提交到的队列
    //第三个参数,block--需要重复执行的任务
    dispatch_apply(3, applyQueue, ^(size_t index) {
        NSLog(@"current index %@",@(index));
        sleep(1);
    });
    NSLog(@"dispatch_apply 执行完成");
    dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_async(mainQueue, ^{
        NSLog(@"回到主线程更新UI");
    });
});
NSLog(@"next task");
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 16:24:45.015 Whisper[4034:202269] current task
2015-11-19 16:24:45.016 Whisper[4034:202269] next task
2015-11-19 16:24:45.016 Whisper[4034:202347] current index 0
2015-11-19 16:24:45.016 Whisper[4034:202344] current index 1
2015-11-19 16:24:45.016 Whisper[4034:202345] current index 2
2015-11-19 16:24:46.021 Whisper[4034:202347] dispatch_apply 执行完成
2015-11-19 16:24:46.021 Whisper[4034:202269] 回到主线程更新UI
  • 嵌套使用dispatch_apply会导致死锁。

  • dispatch_once保证在app运行期间,block中的代码只执行一次

  • 经典使用场景---单例

  • 单例对象ShareManager的定义:

ShareManager的.h文件
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface ShareManager : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *someProperty;
+ (ShareManager *)shareManager;
+ (ShareManager *)sharedManager;
@end

ShareManager的.m文件
#import "ShareManager.h"
@implementation ShareManager
static ShareManager *sharedManager = nil;
//GCD实现单例功能
+ (ShareManager *)shareManager
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        sharedManager = [[self alloc] init];
    });
    return sharedManager;
}
//在ARC下,非GCD,实现单例功能
+ (ShareManager *)sharedManager
{
    @synchronized(self) {
        if (!sharedManager) {
            sharedManager = [[self alloc] init];
        }
    }
    return sharedManager;
}
- (instancetype)init{
    self = [super init];
    if (self) {
        _someProperty =@"Default Property Value";
    }
    return self;
}
@end

ShareManager的使用
#import "ShareManager.h"
在需要使用的函数中,直接调用下面的方法
ShareManager *share = [ShareManager sharedManager];
NSLog(@"share is %@",share.someProperty);
  • dispatch_barrier_async 栅栏的作用
  • 功能:是在并行队列中,等待在dispatch_barrier_async之前加入的队列全部执行完成之后(这些任务是并发执行的)再执行dispatch_barrier_async中的任务,dispatch_barrier_async中的任务执行完成之后,再去执行在dispatch_barrier_async之后加入到队列中的任务(这些任务是并发执行的)。
  • 使用示例:
dispatch_queue_t conCurrentQueue = dispatch_queue_create("com.dullgrass.conCurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"dispatch 1");
});
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"dispatch 2");
});
dispatch_barrier_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"dispatch barrier");
});
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"dispatch 3");
});
dispatch_async(conCurrentQueue, ^{
    NSLog(@"dispatch 4");
});
  • 控制台输出如下:
2015-11-19 18:12:34.125 Whisper[22633:297257] dispatch 1
2015-11-19 18:12:34.125 Whisper[22633:297258] dispatch 2
2015-11-19 18:12:34.126 Whisper[22633:297258] dispatch barrier
2015-11-19 18:12:34.127 Whisper[22633:297258] dispatch 3
2015-11-19 18:12:34.127 Whisper[22633:297257] dispatch 4

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