概述
dispatch queue是一个工作队列，其背后是一个全局的线程池。特别是，提交到队列的任务会在后台线程异步执行。所有线程共享同一个后台线程池，这使得系统更有效率。
这也是我将要模仿的API的精髓部分。GCD还提供了很多精心设计的功能，为了简单起见，本文将把它们都略过。比如线程池的线程数量会根据待完成的任务数和系统CPU的使用率动态作调整。如果你已经有一堆任务占满了CPU，然后再扔给它另一个任务，GCD不会再创建另外的工作线程，因为CPU已经被100%占用，再执行别的任务只会更低效。这里我会写死线程数而不做模拟动态调整。同时我还会忽略并发队列的目标队列和调度屏障功能。
我们目标是聚焦于dispatch queue的真髓：能串行、能并行、能同步、能异步以及共享同一个线程池。
编码
和以往一样，今天文章的代码可以在GitHub上找到：https://github.com/mikeash/MADispatchQueue
如果你想读的过程中自己探索，以上是所有代码。
接口
GCD是基于C语言的 API。虽然最新的系统版本中GCD对象已经转成了Objective-C对象，但API仍保持纯C接口(加了block扩展)。这对实现底层接口是好事，GCD提供了出色而简单的接口，但对我个人而言，我更喜欢用Objective-C来实现。
Objective-C类名称为MADispatchQueue，包含四个调用方法：
- 获取全局共享队列的方法。GCD有多个不同优先级的全局队列，出于简单考虑，我们在实现中保留一个。
- 串行和并行队列的初始化函数。
- 异步分发调用
- 同步分发调用
接口声明：
@interface MADispatchQueue : NSObject
+ (MADispatchQueue *)globalQueue;
- (id)initSerial: (BOOL)serial;
- (void)dispatchAsync: (dispatch_block_t)block;
- (void)dispatchSync: (dispatch_block_t)block;
@end
接下来的目标就是实现这些方法的功能。
线程池接口
队列后面的线程池接口更简单。它将真正执行提交的任务。队列负责在合适的时间把已入队的任务提交给它。
线程池只做一件事：投递任务并运行。对应地，一个接口只有一个方法：
@interface MAThreadPool : NSObject
- (void)addBlock: (dispatch_block_t)block;
@end
由于这是核心部分，我们先实现它。
线程池实现
首先看实例变量。线程池能被多个内部线程或外部线程访问，因此需要线程安全。而在可能的情况下，GCD会使用原子操作，而我这里以一种以前比较流行的方式-加锁。我需要知道锁处于等待和锁相关的信号，而不仅仅强制其互斥，因此我使用NSCondition而不是NSLock。如果你不熟悉，NSCondition 本质上还是锁，只是添加了一个条件变量：
NSCondition *_lock;//线程锁
NSUInteger _threadCount;//线程池里的线程数
NSUInteger _activeThreadCount;//有多少线程正被占用
NSUInteger _threadCountLimit;//所能拥有的最大线程数
NSMutableArray *_blocks; //NSMutableArray类型的block列表模拟一个队列，从队列后端添加新block，从队列前端删除
初始化函数:
-(id)init {
if((self = [super init])) {
_lock = [[NSCondition alloc] init];
_blocks = [[NSMutableArray alloc] init];
_threadCountLimit = 128;
}
return self;
}
工作线程运行了一个简单的无限循环。只要block数组为空，它将一直等待。一旦有block加入，它将被从数组中取出并执行。同时将活动线程数加1，完成后活动线程数减1：
-(void)workerThreadLoop: (id)ignore {
//首先要获取锁。注意需要在循环开始前获得。至于原因，等写到循环结束时你就会明白。
[_lock lock];
//无限循环开始：
while(1) {
//如果队列为空，等待锁：
while([_blocks count] == 0) {
[_lock wait];
}
//一旦有队列中有block，取出：
dispatch_block_t block = [_blocks firstObject];
[_blocks removeObjectAtIndex: 0];
//活动线程计数加，表示有新线程正在处理任务：
_activeThreadCount++;
//现在执行block，我们先得释放锁，不然代码并发执行时会出现死锁：
[_lock unlock];
//安全释放锁后，执行block
block();
//block执行完毕，活动线程计数减1。该操作必须在锁内做，以避免竞态条件，最后是循环结束：
[_lock lock];
_activeThreadCount--;
}
}
现在你该明白为什么需要在进入循环前获得锁了。循环的最后是在锁内减少活动线程计数。循环开始检测block队列。通过在循环外第一次获得锁，后续循环迭代能够使用一个锁来完成，而不是锁，解锁，然后再立即上锁。
下面是 addBlock:
- (void)addBlock: (dispatch_block_t)block {
//这里唯一需要做的是获得锁：
[_lock lock];
//添加一个新的block到block队列：
[_blocks addObject: block];
//如果有一个空闲的工作线程去执行这个block的话，这里什么都不需要做。如果没有足够的工作线程去处理等待的block，而工作线程数也没超限，则我们需要创建一个新线程：
NSUInteger idleThreads = _threadCount - _activeThreadCount;
if([_blocks count] > idleThreads && _threadCount < _threadCountLimit) {
[NSThread detachNewThreadSelector: @selector(workerThreadLoop:) toTarget: self withObject: nil];
_threadCount++;
}
//一切准备就绪。由于空闲线程都在休眠，唤醒它：
[_lock signal];
//最后释放锁：
[_lock unlock];
}
线程池能在达到预设的最大线程数前创建工作线程，以处理对应的block。现在以此为基础实现队列。
队列实现
和线程池一样，队列使用锁保护其内容。和线程池不同的是，它不需要等待锁，也不需要信号触发，仅仅是简单互斥即可，因此采用 NSLock：
@implementation MADispatchQueue {
NSLock *_lock;
//和线程池一样，它把 pending block存在NSMutableArray里。
NSMutableArray *_pendingBlocks;
//标识是串行还是并行队列
BOOL _serial;
//如果是串行队列，还需要标识当前是否有线程正在运行
BOOL _serialRunning;
}
全局队列是一个全局变量，共享线程池也一样。它们都在+initialize里创建
static MADispatchQueue *gGlobalQueue;
static MAThreadPool *gThreadPool;
+ (void)initialize {
if(self == [MADispatchQueue class]) {
gGlobalQueue = [[MADispatchQueue alloc] initSerial: NO];
gThreadPool = [[MAThreadPool alloc] init];
}
}
由于+initialize里已经初始化了，+globalQueue 只需返回该变量。
+ (MADispatchQueue *)globalQueue {
return gGlobalQueue;
}
初始化一个队列：初始化lock 和pending Blocks，设置_serial变量:
- (id)initSerial: (BOOL)serial {
if ((self = [super init])) {
_lock = [[NSLock alloc] init];
_pendingBlocks = [[NSMutableArray alloc] init];
_serial = serial;
}
return self;
}
实现剩下的公有API前，我们需先实现一个底层方法用于给线程分发一个block，然后继续调用自己去处理另一个block:
//整个生命周期所做的是在线程池上运行block
- (void)dispatchOneBlock {
[gThreadPool addBlock: ^{
//然后取队列中的第一个block，显然这需要在锁内完成，以避免出现问题
[_lock lock];
dispatch_block_t block = [_pendingBlocks firstObject];
[_pendingBlocks removeObjectAtIndex: 0];
[_lock unlock];
//取到了block又释放了锁，block接下来可以安全地在后台线程执行了
block();
//如果是并行执行的话就不需要再做啥了。如果是串行执行，还需要以下操作
if(_serial) {
//串行队列里将会积累别的block，但不能执行，直到先前的block完成。block完成后，dispatchOneBlock 接下来会看是否还有其他的block被添加到队列里面。若有，它调用自己去处理下一个block。若无，则把队列的运行状态置为NO
[_lock lock];
if([_pendingBlocks count] > 0) {
[self dispatchOneBlock];
} else {
_serialRunning = NO;
}
[_lock unlock];
}
}];
}
用以上方法来实现dispatchAsync:就非常容易了。添加block到pending block队列，合适的时候设置状态并调用dispatchOneBlock：
- (void)dispatchAsync: (dispatch_block_t)block {
[_lock lock];
[_pendingBlocks addObject: block];
//如果串行队列空闲，设置队列状态为运行并调用dispatchOneBlock 进行处理。
if(_serial && !_serialRunning) {
_serialRunning = YES;
[self dispatchOneBlock];
} else if (!_serial) {
//如果队列是并行的，直接调用dispatchOneBlock。由于多个block能并行执行，所以这样能保证即使有其他block正在运行，新的block也能立即执行
[self dispatchOneBlock];
}
//如果串行队列已经在运行，则不需要另外做处理。因为block执行完成后对dispatchOneBlock 的调用最终会调用加入到队列的block。
//接着释放锁
[_lock unlock];
}
对于 dispatchSync: GCD的处理更巧妙，它是直接在调用线程上执行block，以防止其他block在队列上执行（如果是串行队列）。在此我们不用做如此聪明的处理，我们仅仅是对dispatchAsync:进行封装，让其一直等待直到block执行完成。
它使用局部NSCondition进行处理，另外使用一个done变量来指示block何时完成：
- (void)dispatchSync: (dispatch_block_t)block {
NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
__block BOOL done = NO;
//下面是异步分发block。block里面调用传入的block，然后设置done的值，给condition发信号
[self dispatchAsync: ^{
block();
[condition lock];
done = YES;
[condition signal];
[condition unlock];
}];
//在调用线程里面，等待信号done ，然后返回
[condition lock];
while (!done) {
[condition wait];
}
[condition unlock];
}
到此。block的执行就结束了，这也是MADispatchQueue API的最后一点内容。
结论
全局线程池可以使用block队列和智能产生的线程实现。使用一个共享全局线程池，就能构建一个能提供基本的串行/并行、同步/异步功能的dispatch queue。这样就重建了一个简单的GCD，虽然缺少了很多非常好的特性且更低效率。但这能让我们瞥见其内部工作过程，揭示了它毕竟不是那么神秘
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