巧談GCD

編輯：IOS開發基礎

談到iOS多線程，一般都會談到四種方式：pthread、NSThread、GCD和NSOperation。其中，蘋果推薦也是我們最經常使用的無疑是GCD。對於身為開發者的我們來說，並發一直都很棘手，如果對GCD的理解不夠透徹，那麼iOS開發的歷程絕對不會順利。這裡，我會從幾個角度淺談我對GCD的理解。

一、多線程背景

Although threads have been around for many years and continue to have their uses, they do not solve the general problem of executing multiple tasks in a scalable way. With threads, the burden of creating a scalable solution rests squarely on the shoulders of you, the developer. You have to decide how many threads to create and adjust that number dynamically as system conditions change. Another problem is that your application assumes most of the costs associated with creating and maintaining any threads it uses.

上述大致說出了直接操縱線程實現多線程的弊端：

開發人員必須根據系統的變化動態調整線程的數量和狀態，即對開發者的負擔重。
應用程序會在創建和維護線程上消耗很多成本，即效率低。

相對的，GCD是一套低層級的C API，通過 GCD，開發者只需要向隊列中添加一段代碼塊(block或C函數指針)，而不需要直接和線程打交道。GCD在後端管理著一個線程池，它不僅決定著你的代碼塊將在哪個線程被執行，還根據可用的系統資源對這些線程進行管理。GCD的工作方式，使其擁有很多優點（快、穩、准）：

快，更快的內存效率，因為線程棧不暫存於應用內存。
穩，提供了自動的和全面的線程池管理機制，穩定而便捷。
准，提供了直接並且簡單的調用接口，使用方便，准確。

二、隊列和任務

初學GCD的時候，肯定會糾結一些看似很關鍵但卻毫無意義的問題。比如：GCD和線程到底什麼關系；異步任務到底在哪個線程工作；隊列到底是個什麼東西；mian queue和main thread到底搞什麼名堂等等。現在，這些我們直接略過（最後拾遺中會談一下），蘋果既然推薦使用GCD，那麼為什麼還要糾結於線程呢？需要關注的只有兩個概念：隊列、任務。

1. 隊列

調度隊列是一個對象，它會以first-in、first-out的方式管理您提交的任務。GCD有三種隊列類型：

串行隊列，串行隊列將任務以先進先出(FIFO)的順序來執行，所以串行隊列經常用來做訪問某些特定資源的同步處理。你可以也根據需要創建多個隊列，而這些隊列相對其他隊列都是並發執行的。換句話說，如果你創建了4個串行隊列，每一個隊列在同一時間都只執行一個任務，對這四個任務來說，他們是相互獨立且並發執行的。如果需要創建串行隊列，一般用dispatch_queue_create這個方法來實現，並指定隊列類型DISPATCH_QUEUE_SERIAL。
並行隊列，並發隊列雖然是能同時執行多個任務，但這些任務仍然是按照先到先執行(FIFO)的順序來執行的。並發隊列會基於系統負載來合適地選擇並發執行這些任務。並發隊列一般指的就是全局隊列(Global queue)，進程中存在四個全局隊列：高、中(默認)、低、後台四個優先級隊列，可以調用dispatch_get_global_queue函數傳入優先級來訪問隊列。當然我們也可以用dispatch_queue_create，並指定隊列類型DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT，來自己創建一個並發隊列。
主隊列，與主線程功能相同。實際上，提交至main queue的任務會在主線程中執行。main queue可以調用dispatch_get_main_queue()來獲得。因為main queue是與主線程相關的，所以這是一個串行隊列。和其它串行隊列一樣，這個隊列中的任務一次只能執行一個。它能保證所有的任務都在主線程執行，而主線程是唯一可用於更新 UI 的線程。

額外說一句，上面也說過，隊列間的執行是並行的，但是也存在一些限制。比如，並行執行的隊列數量受到內核數的限制，無法真正做到大量隊列並行執行；比如，對於並行隊列中的全局隊列而言，其存在優先級關系，執行的時候也會遵循其優先順序，而不是並行。

2. 任務

linux內核中的任務的定義是描述進程的一種結構體，而GCD中的任務只是一個代碼塊，它可以指一個block或者函數指針。根據這個代碼塊添加進入隊列的方式，將任務分為同步任務和異步任務：

同步任務，使用dispatch_sync將任務加入隊列。將同步任務加入串行隊列，會順序執行，一般不這樣做並且在一個任務未結束時調起其它同步任務會死鎖。將同步任務加入並行隊列，會順序執行，但是也沒什麼意義。
異步任務，使用dispatch_async將任務加入隊列。將異步任務加入串行隊列，會順序執行，並且不會出現死鎖問題。將異步任務加入並行隊列，會並行執行多個任務，這也是我們最常用的一種方式。

3. 簡單應用

// 隊列的創建，queue1:中（默認）優先級的全局並行隊列、queue2:主隊列、queue3:未指定type則為串行隊列、queue4:指定串行隊列、queue5:指定並行隊列
dispatch_queue_t queue1 = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_queue_t queue2 = dispatch_get_main_queue();
dispatch_queue_t queue3 = dispatch_queue_create("queue3", NULL);
dispatch_queue_t queue4 = dispatch_queue_create("queue4", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_queue_t queue5 = dispatch_queue_create("queue5", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

// 隊列中添加異步任務
dispatch_async(queue1, ^{
// 任務
...
});

// 隊列中添加同步任務
dispatch_sync(queue1, ^{
// 任務
...
});

三、GCD常見用法和應用場景

非常喜歡一句話：Talk is cheap, show me the code.接下來對GCD的使用，我會通過代碼展示。

1. dispatch_async

一般用法

dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_async(globalQueue, ^{
    // 一個異步的任務，例如網絡請求，耗時的文件操作等等
    ...
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        // UI刷新
        ...
    });
});

應用場景

這種用法非常常見，比如開啟一個異步的網絡請求，待數據返回後返回主隊列刷新UI；又比如請求圖片，待圖片返回刷新UI等等。

2. dispatch_after

一般用法

dispatch_queue_t queue= dispatch_get_main_queue();
dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(5.0 * NSEC_PER_SEC)), queue, ^{
    // 在queue裡面延遲執行的一段代碼
    ...
});

應用場景

這為我們提供了一個簡單的延遲執行的方式，比如在view加載結束延遲執行一個動畫等等。

3. dispatch_once

一般用法

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    // 只執行一次的任務
    ...
});

應用場景

可以使用其創建一個單例，也可以做一些其他只執行一次的代碼，比如做一個只能點一次的button（好像沒啥用）。

4. dispatch_group

一般用法

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 異步任務1
});

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 異步任務2
});

// 等待group中多個異步任務執行完畢，做一些事情，介紹兩種方式

// 方式1（不好，會卡住當前線程）
dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
...

// 方式2（比較好）
dispatch_group_notify(group, mainQueue, ^{
    // 任務完成後，在主隊列中做一些操作
    ...
});

應用場景

上述的一種方式，可以適用於自己維護的一些異步任務的同步問題；但是對於已經封裝好的一些庫，比如AFNetworking等，我們不獲取其異步任務的隊列，這裡可以通過一種計數的方式控制任務間同步，下面為解決單界面多接口的一種方式。

// 兩個請求和參數為我項目裡面的不用在意。

// 計數＋1
dispatch_group_enter(group);
[JDApiService getActivityDetailWithActivityId:self.activityId Location:stockAddressId SuccessBlock:^(NSDictionary *userInfo) {
    // 數據返回後一些處理
    ...

    // 計數－1
    dispatch_group_leave(group);
} FailureBlock:^(NSError *error) {
    // 數據返回後一些處理
    ...

    // 計數－1
    dispatch_group_leave(group);
}];

// 計數＋1
dispatch_group_enter(group);
[JDApiService getAllCommentWithActivityId:self.activityId PageSize:3 PageNum:self.commentCurrentPage SuccessBlock:^(NSDictionary *userInfo) {
    // 數據返回後一些處理
    ...

    // 計數－1
    dispatch_group_leave(group);
} FailureBlock:^(NSError *error) {
    // 數據返回後一些處理
    ...

    // 計數－1
    dispatch_group_leave(group);
}];

// 其實用計數的說法可能不太對，但是就這麼理解吧。會在計數為0的時候執行dispatch_group_notify的任務。
dispatch_group_notify(group, mainQueue, ^{
    // 一般為回主隊列刷新UI
    ...
});
```

#### 5. dispatch_barrier_async
**一般用法**
```
// dispatch_barrier_async的作用可以用一個詞概括－－承上啟下，它保證此前的任務都先於自己執行，此後的任務也遲於自己執行。本例中，任務4會在任務1、2、3都執行完之後執行，而任務5、6會等待任務4執行完後執行。

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(queue, ^{
    // 任務1
    ...
});
dispatch_async(queue, ^{
    // 任務2
    ...
});
dispatch_async(queue, ^{
    // 任務3
    ...
});
dispatch_barrier_async(queue, ^{
    // 任務4
    ...
});
dispatch_async(queue, ^{
    // 任務5
    ...
});
dispatch_async(queue, ^{
    // 任務6
    ...
});

應用場景

和dispatch_group類似，dispatch_barrier也是異步任務間的一種同步方式，可以在比如文件的讀寫操作時使用，保證讀操作的准確性。另外，有一點需要注意，dispatch_barrier_sync和dispatch_barrier_async只在自己創建的並發隊列上有效，在全局(Global)並發隊列、串行隊列上，效果跟dispatch_(a)sync效果一樣。

6. dispatch_apply

一般用法

// for循環做一些事情，輸出0123456789
for (int i = 0; i < 10; i ++) {
    NSLog(@"%d", i);
}

// dispatch_apply替換（當且僅當處理順序對處理結果無影響環境），輸出順序不定，比如1098673452
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
/*! dispatch_apply函數說明
*
*  @brief  dispatch_apply函數是dispatch_sync函數和Dispatch Group的關聯API
*         該函數按指定的次數將指定的Block追加到指定的Dispatch Queue中,並等到全部的處理執行結束
*
*  @param 10    指定重復次數  指定10次
*  @param queue 追加對象的Dispatch Queue
*  @param index 帶有參數的Block, index的作用是為了按執行的順序區分各個Block
*
*/
dispatch_apply(10, queue, ^(size_t index) {
    NSLog(@"%zu", index);
});

應用場景

那麼，dispatch_apply有什麼用呢，因為dispatch_apply並行的運行機制，效率一般快於for循環的類串行機制（在for一次循環中的處理任務很多時差距比較大）。比如這可以用來拉取網絡數據後提前算出各個控件的大小，防止繪制時計算，提高表單滑動流暢性，如果用for循環，耗時較多，並且每個表單的數據沒有依賴關系，所以用dispatch_apply比較好。

7. dispatch_suspend和dispatch_resume

一般用法

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_suspend(queue); //暫停隊列queue
dispatch_resume(queue);  //恢復隊列queue

應用場景

這種用法我還沒有嘗試過，不過其中有個需要注意的點。這兩個函數不會影響到隊列中已經執行的任務，隊列暫停後，已經添加到隊列中但還沒有執行的任務不會執行，直到隊列被恢復。

8. dispatch_semaphore_signal

一般用法

// dispatch_semaphore_signal有兩類用法：a、解決同步問題；b、解決有限資源訪問（資源為1，即互斥）問題。
// dispatch_semaphore_wait，若semaphore計數為0則等待，大於0則使其減1。
// dispatch_semaphore_signal使semaphore計數加1。

// a、同步問題：輸出肯定為1、2、3。
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_semaphore_t semaphore1 = dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_semaphore_t semaphore2 = dispatch_semaphore_create(0);
dispatch_semaphore_t semaphore3 = dispatch_semaphore_create(0);

dispatch_async(queue, ^{
    // 任務1
    dispatch_semaphore_wait(semaphore1, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    NSLog(@"1 ");
    dispatch_semaphore_signal(semaphore2);
    dispatch_semaphore_signal(semaphore1);
});

dispatch_async(queue, ^{
    // 任務2
    dispatch_semaphore_wait(semaphore2, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    NSLog(@"2 ");
    dispatch_semaphore_signal(semaphore3);
    dispatch_semaphore_signal(semaphore2);
});

dispatch_async(queue, ^{
    // 任務3
    dispatch_semaphore_wait(semaphore3, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    NSLog(@"3 ");
    dispatch_semaphore_signal(semaphore3);
});

// b、有限資源訪問問題:for循環看似能創建100個異步任務，實質由於信號限制，最多創建10個異步任務。
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(10);
for (int i = 0; i < 100; i ++) {
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    dispatch_async(queue, ^{
    // 任務
    ...
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
}

應用場景

其實關於dispatch_semaphore_t，並沒有看到太多應用和資料解釋，我只能參照自己對linux信號量的理解寫了兩個用法，經測試確實相似。這裡，就不對一些死鎖問題進行討論了。

9. dispatch_set_context、dispatch_get_context和dispatch_set_finalizer_f

一般用法

// dispatch_set_context、dispatch_get_context是為了向隊列中傳遞上下文context服務的。
// dispatch_set_finalizer_f相當於dispatch_object_t的析構函數。
// 因為context的數據不是foundation對象，所以arc不會自動回收，一般在dispatch_set_finalizer_f中手動回收，所以一般講上述三個方法綁定使用。

- (void)test
{
    // 幾種創建context的方式
    // a、用C語言的malloc創建context數據。
    // b、用C++的new創建類對象。
    // c、用Objective-C的對象，但是要用__bridge等關鍵字轉為Core Foundation對象。

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    if (queue) {
        // "123"即為傳入的context
        dispatch_set_context(queue, "123");
        dispatch_set_finalizer_f(queue, &xigou);
    }
    dispatch_async(queue, ^{
        char *string = dispatch_get_context(queue);
        NSLog(@"%s", string);
    });
}

// 該函數會在dispatch_object_t銷毀時調用。
void xigou(void *context)
{
    // 釋放context的內存（對應上述abc）

    // a、CFRelease(context);
    // b、free(context);
    // c、delete context;
}

應用場景

dispatch_set_context可以為隊列添加上下文數據，但是因為GCD是C語言接口形式的，所以其context參數類型是“void *”。需使用上述abc三種方式創建context，並且一般結合dispatch_set_finalizer_f使用，回收context內存。

四、內存和安全

稍微提一下吧，因為部分人糾結於dispatch的內存問題。

內存

MRC:用dispatch_retain和dispatch_release管理dispatch_object_t內存。
ARC:ARC在編譯時刻自動管理dispatch_object_t內存，使用retain和release會報錯。

安全

dispatch_queue是線程安全的，你可以隨意往裡面添加任務。

五、拾遺

這裡主要提一下GCD的一些坑和線程的一些問題。

1. 死鎖

dispatch_sync

// 假設這段代碼執行於主隊列
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

// 在主隊列添加同步任務
dispatch_sync(mainQueue, ^{
    // 任務
    ...
});

// 在串行隊列添加同步任務 
dispatch_sync(serialQueue, ^{
    // 任務
    ...
    dispatch_sync(serialQueue, ^{
        // 任務
        ...
    });
};

dispatch_apply

// 因為dispatch_apply會卡住當前線程，內部的dispatch_apply會等待外部，外部的等待內部，所以死鎖。
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_apply(10, queue, ^(size_t) {
    // 任務
    ...
    dispatch_apply(10, queue, ^(size_t) {
        // 任務
        ...
    });
});

dispatch_barrier

dispatch_barrier_sync在串行隊列和全局並行隊列裡面和dispatch_sync同樣的效果，所以需考慮同dispatch_sync一樣的死鎖問題。

2. dispatch_time_t

// dispatch_time_t一般在dispatch_after和dispatch_group_wait等方法裡作為參數使用。這裡最需要注意的是一些宏的含義。
// NSEC_PER_SEC，每秒有多少納秒。
// USEC_PER_SEC，每秒有多少毫秒。
// NSEC_PER_USEC，每毫秒有多少納秒。
// DISPATCH_TIME_NOW 從現在開始
// DISPATCH_TIME_FOREVE 永久

// time為1s的寫法
dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC);

3. GCD和線程的關系

如果你是新手，GCD和線程暫時木有關系。

如果你是高手，我們做朋友吧。

六、參考文獻

1、https://developer.apple.com/library/mac/documentation/General/Conceptual/ConcurrencyProgrammingGuide/OperationQueues/OperationQueues.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008091-CH102-SW2

2、https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Performance/Reference/GCD_libdispatch_Ref/

3、http://tutuge.me/2015/04/03/something-about-gcd/

4、http://www.jianshu.com/p/85b75c7a6286

5、http://www.jianshu.com/p/d56064507fb8

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