iOS GCD详解

作者: slimsallen | 来源:发表于2018-08-23 22:12 被阅读0次

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Grand Central Dispatch（GCD）是异步执行任务的技术之一。一般将应用程序中记述的线程管理用的代码在系统级中实现。开发者只需要定义想执行的任务并追加到适当的Dispatch Queue中，GCD就能生成必要的线程并计划执行任务。由于线程管理是作为系统的一部分来实现的，因此可统一管理，也可执行任务，这样就比以前的线程更有效率。

本文会以图文并茂的形式介绍GCD的常用api基础及线程安全相关，篇幅会比较长。

GCD常用函数

GCD中有2个用来执行任务的函数

同步方式

dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

异步方式

dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

什么是同步?

在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力

什么是异步?

在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

什么是并发?

多个任务并发（同时）执行

什么是串行?

一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

如下表格所示

	并发队列	串行队列	主队列
同步(sync)	没有开启新线程	没有开启新线	没有开启新线
	`串行`执行任务	`串行`执行任务	`串行`执行任务
异步(async)	开启新线程	开启新线程	没有开启新线程
	`并发`执行任务	`串行`执行任务	`串行`执行任务

下面是本文会讲到的内容

GCD的API

Dispatch Queue

DispatchQueue manages the execution of work items. Each work item submitted to a queue is processed on a pool of threads managed by the system.

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Dispatch Queue 有两种
`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

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Serial Dispatch Queue 使用一个线程,我们通过代码来看一下。

dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.slim.www", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(serialQueue, ^{
NSLog(@"1");
});
dispatch_sync(serialQueue, ^{
NSLog(@"2");
});
dispatch_async(serialQueue, ^{
NSLog(@"3");
});

因为不用等待执行中的处理结束，所以会依次向下打印。结果为1、2、3
为了再次证实串行队列中只有一个线程执行任务，我们再来看一段代码

dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.slim.www", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
for (int i = 0; i< 10;i++){
dispatch_async(serialQueue, ^{
NSLog(@"%@--%d",[NSThread currentThread], i);
});
}

打印结果为：

2018-08-23 17:32:17.490879+0800 gcdTest[1447:249018] <NSThread: 0x6000004605c0>{number = 3, name = (null)}--0
2018-08-23 17:32:17.491318+0800 gcdTest[1447:249018] <NSThread: 0x6000004605c0>{number = 3, name = (null)}--1
2018-08-23 17:32:17.492612+0800 gcdTest[1447:249018] <NSThread: 0x6000004605c0>{number = 3, name = (null)}--2
2018-08-23 17:32:17.492777+0800 gcdTest[1447:249018] <NSThread: 0x6000004605c0>{number = 3, name = (null)}--3
.....

我们可以发现thread的地址是一样的，那就证实了serial queue只有一个线程执行任务

关于Serial Dispatch Queue生成个数的注意事项

当生成多个Serial Dispatch Queue时，各个Serial Dispatch Queue将并行执行。
如果生成多个Serial Dispatch Queue，那么就会消耗大量内存，引起大量的上下文切换，从而影响性能。
如下图所示：

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Concurrent Dispatch Queue 使用多个线程同时执行多个处理，并行执行的处理数量由当前系统的状态决定。

dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.slim.www", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
NSLog(@"1");
});
dispatch_sync(concurrentQueue, ^{
NSLog(@"2");
});
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
NSLog(@"3");
});

打印结果为：


2018-08-23 17:38:54.330096+0800 gcdTest[1519:258011] 2
2018-08-23 17:38:54.330096+0800 gcdTest[1519:258048] 1
2018-08-23 17:38:54.330441+0800 gcdTest[1519:258048] 3

我们再来证实一下

dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.slim.www", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
for (int i = 0; i< 10;i++){
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
NSLog(@"%@--%d",[NSThread currentThread], i);
});
}

打印结果为：

<NSThread: 0x6040002754c0>{number = 3, name = (null)}--0
2018-08-23 17:44:00.487048+0800 gcdTest[1585:265970] <NSThread: 0x604000275580>{number = 6, name = (null)}--3
2018-08-23 17:44:00.487104+0800 gcdTest[1585:265971] <NSThread: 0x604000275540>{number = 5, name = (null)}--2
2018-08-23 17:44:00.487112+0800 gcdTest[1585:265968] <NSThread: 0x600000461240>{number = 4, name = (null)}--1
....

可以看出并发队列中是有多个线程执行任务的。

dispatch_queue_create
dispatch_queue_create函数可生成Dispatch Queue

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("read_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

第一个参数为queue名称，第二个参数为类型
Main Dispatch Queue/Global Dispatch Queue
Main Dispatch Queue主线程，追加在Main Dispatch Queue的处理在主线程的runloop进行。所以要将界面更新等必须在主线程执行的处理追加在Main Dispatch Queue使用。

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Global Dispatch Queue 是所有程序都能使用的Conncurrent Dispatch Queue，有四个优先级，（High）、（Default）、（Low）、（Background）Conncurrent Dispatch Queue的线程不能保证实时性。
dispatch_after
我们经常会遇到在某个时间之后执行某个方法，那我们可以可以用dispatch_after这个函数来实现。

dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
[self.navigationController popToRootViewControllerAnimated:YES];
});

比如上面2s返回到rootViewController,并不是在指定的2s后执行处理，而只是在指定时间追加到Dispatch Queue。因为Main Dispatch Queue在主线程中执行，所以runloop如果有正在处理执行的处理，那么这个时间会延迟，那么这个方法会在2s + x后执行，如果Dispatch Queue有大量处理追加线程或者主线程处理本身有延迟时，这个时间会更长。

多线程的安全隐患

多个线程可能会访问同一块资源，比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件
当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题
如图所示

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多线程安全隐患的解决方案

常见的线程同步技术是：加锁

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ios中的线程同步方案

os_unfair_lock
os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，从iOS10开始才支持。
从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态，并非忙等
需要导入头文件#import <os/lock.h>

os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
os_unfair_lock_trylock(&lock);
os_unfair_lock_lock(&lock);
os_unfair_lock_unlock(&lock);

pthread_mutex
mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态
需要导入头文件#import <pthread.h>

//初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
//初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
//尝试加锁
pthread_mutex_trylock (&mutex);
//加锁
pthread_mutex_lock (&mutex); //解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
//销毁相关资源
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy (&mutex);

`pthread_mutex` 条件

//初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
//NULL代表默认属性
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
//初始化条件
pthread_cond_t condition;
pthread_cond_init(&condition, NULL);
//等待条件 （进入休眠，放开mutex锁，被唤醒后，会再次对mutex加锁）
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&condition);
//激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&condition);
//销毁资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&condition);

dispatch_semaphore
semaphore叫做”信号量”
信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量
信号量的初始值为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步

//信号量的初始值
int value = 1;
//初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
//如果信号量的值<=0，当前线程就会进入休眠等待（直到信号量的值>0）
//如果信号量的值>0，就减1，然后往下执行后面的代码
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
//让信号量的值加1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

这个在上面已经提到了

NSLock、NSRecursiveLock
NSLock是对mutex普通锁的封装
NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致

- (void)lock;
- (void)unlock;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
NSLock *lock = [[NSLock alloc]init];

NSCondition
NSCondition是对mutex和cond的封装

- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;

NSConditionLock
NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

@synchronized
@synchronized是对mutex递归锁的封装
@synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

@synchronized(obj){
//任务
}

下面我们来比较一下他们的性能
对他们分别进行了加锁解锁1000次操作
这是日志结果：

2018-08-23 20:04:50.368758+0800 gcdTest[2700:390931] @synchronized: 218.018055 ms
2018-08-23 20:04:50.409929+0800 gcdTest[2700:390931] NSLock: 40.930986 ms
2018-08-23 20:04:50.446109+0800 gcdTest[2700:390931] NSLock + IMP: 35.949945 ms
2018-08-23 20:04:50.482748+0800 gcdTest[2700:390931] NSCondition: 36.401987 ms
2018-08-23 20:04:50.591528+0800 gcdTest[2700:390931] NSConditionLock: 108.524919 ms
2018-08-23 20:04:50.650369+0800 gcdTest[2700:390931] NSRecursiveLock: 58.606982 ms
2018-08-23 20:04:50.678437+0800 gcdTest[2700:390931] pthread_mutex: 27.842999 ms
2018-08-23 20:04:50.700001+0800 gcdTest[2700:390931] os_unfair_lock: 21.309972 ms

方法	耗时
synchronized	218.018055 ms
NSLock	40.930986 ms
NSLock + IMP	35.949945 ms
NSCondition	36.401987 ms
NSConditionLock	108.524919 ms
NSRecursiveLock	58.606982 ms
pthread_mutex	27.842999 ms
os_unfair_lock	21.309972 ms

耗时方面：
os_unfair_lock耗时最少;
pthread_mutex其次。
@synchronized和NSConditionLock效率较差。
如果考虑性能可以使用os_unfair_lock，如果不考虑性能，只是图个方便的话，那可以使用@synchronized。

如何实现ios读写安全方案?

同一时间，只能有1个线程进行写的操作
同一时间，允许有多个线程进行读的操作
同一时间，不允许既有写的操作，又有读的操作

ios实现的方案有

pthread_rwlock：读写锁

//初始化锁
pthread_rwlock_t lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
//读加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
//写加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
//销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch_barrier_async：异步栅栏调用
这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("read_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
//读
dispatch_async(queue, ^{

});
//写
dispatch_barrier_sync(queue, ^{

});

为何会产生死锁？

定义

所谓死锁，通常指有两个线程T1和T2都卡住了，并等待对方完成某些操作。T1不能完成是因为它在等待T2完成。但T2也不能完成，因为它在等待T1完成。于是大家都完不成，就导致了死锁（DeadLock）。

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产生死锁的四个必要条件：

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。

请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。

循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

来看这段代码：

dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^(void){
NSLog(@"这里死锁了");
});

执行这个dispatch_get_main_queue队列的是主线程。执行了dispatch_sync函数后，将block添加到了main_queue中，同时调dispatch_syn这个函数的线程被阻塞，等待block执行完成，而执行主线程队列任务的线程正是主线程，此时他处于阻塞状态，所以block永远不会被执行，因此主线程一直处于阻塞状态。因此这段代码运行后不是在block中无法返回，而是无法执行到这个block。

小结

在实际开发中，我们遇到的情况会比较多，大家根据实际情况选择，本文就不一一列举，欢迎有问题留言讨论。

Follow: https://github.com/sallenhandong

blog: https://slimsallen.com

iOS GCD详解

GCD常用函数

同步方式

异步方式

什么是同步?

什么是异步?

什么是并发?

什么是串行?

如下表格所示

下面是本文会讲到的内容

GCD的API

Dispatch Queue

关于Serial Dispatch Queue生成个数的注意事项

dispatch_queue_create

Main Dispatch Queue/Global Dispatch Queue

dispatch_after

多线程的安全隐患

多线程安全隐患的解决方案

ios中的线程同步方案

os_unfair_lock

pthread_mutex

pthread_mutex 条件

dispatch_semaphore

dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

NSLock、NSRecursiveLock

NSCondition

NSConditionLock

@synchronized

如何实现ios读写安全方案?

ios实现的方案有

为何会产生死锁？

定义

产生死锁的四个必要条件：

来看这段代码：

小结

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`Dispatch Queue`

`dispatch_queue_create`

`Main Dispatch Queue`/`Global Dispatch Queue`

`dispatch_after`

`os_unfair_lock`

`pthread_mutex`

`pthread_mutex` 条件

`dispatch_semaphore`

`dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)`

`NSLock`、`NSRecursiveLock`

`NSCondition`

`NSConditionLock`

`@synchronized`