最浅显易懂的iOS多线程技术 - GCD的教程

作者: J_Knight_ | 来源:发表于2016-07-20 08:51 被阅读2148次

笔者励志打造一篇浅显易懂地介绍iOS中GCD的文章！
笔者见过很多其他讲解GCD的博客，有些写得非常详细非常专业，几乎涵盖了GCD大大小小的全部知识，细致庞杂的内容容易让人摸不清主次，笔者觉得这类文章并不适合初学者学习，于是决定写一篇针对一些只是听过，但是对GCD还不了解的童鞋们。

本文排除了一些细枝末节，扰乱人头绪的东西，着重讲解了GCD中重要的知识点，并在最后展示了GCD中经常使用的函数并附上结果图和讲解，简单明了。

进程与线程

在了解多线程之前，需要弄清进程和线程的概念和他们之间的区别。

进程：

系统中正在运行的一个程序，进程之间是相互独立的，每个进程都有属于自己的内存空间。比如手机中的微信应用和印象笔记应用，他们都是iOS系统中独立的进程，有着自己的内存空间。

线程：

进程内部执行任务所需要的执行路径。进程若想执行任务，则必须得在线程下执行。也就是说进程至少有一个线程才能执行任务。但是，我们使用软件的时候，很少有只让它做一件事的时候：

举个印象笔记的🌰 ：当你正在编辑一则笔记的时候点击了同步按钮，那么编辑任务（线程）和同步任务（线程）一定是不能按照顺序执行的。因为同步任务的完成时间是不可控的，如果在同步的过程中无法进行别的任务（线程）那就太糟糕了！

因此，我们需要让一些任务可以同时进行。既然任务是在线程上执行的，那么多任务的执行就意味着需要多线程的开启和使用。

来一张图直观地展示一下内存，进程和线程的关系：

内存，进程和线程

多线程概述

多线程的实现原理：虽然在同一时刻，CPU只能处理1条线程，但是CPU可以快速地在多条线程之间调度（切换），造成了多线程并发执行的假象。

1. 多线程的优点

能适当提高程序的执行效率。
能适当提高资源利用率（CPU、内存利用率）。

2. 多线程的缺点

创建线程是需要成本的：iOS下主要成本包括：在栈空间的子线程512KB、主线程1MB，创建线程大约需要90毫秒的创建时间。
线程越多，CPU在调度线程上的开销就越大。
线程越多，程序设计就越复杂：因为要考虑到线程之间的通信，多线程的数据共享。

多线程在iOS开发中的应用

1. iOS的主线程

一个iOS程序运行后，默认会开启1条线程，称为“主线程”或“UI线程”

主线程的作用:

显示\刷新UI界面
处理UI事件（比如点击事件、滚动事件、拖拽事件等）

主线程的使用注意事项:
不能把比较耗时的操作放到主线程中，，严重影响UI的流畅度，给用户一种程序“卡顿”的体验。
因此，要将耗时的操作放在子线程中异步执行。这样一来，及时开始执行了耗时的操作，也不会影响主线程中UI交互的体验。

2. iOS的子线程

子线程是异步执行的，不影响主线程。在iOS开发中，我们需要将耗时的任务（网络请求，复杂的运算）放在子线程进行，不让其影响UI的交互体验。

3. 多线程安全

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。就好比好几个人在同时修改同一个表格，造成数据的错乱。

3.1 资源抢夺的解决方案

我们需要给数据添加互斥锁。也就是说，当某线程访问一个数据之前就要给数据加锁，让其不被其他的线程所修改。就好比一个人修改表格的时候给表格设置了密码，那么其他人就无法访问文件了。当他修改文件之后，再讲密码撤销，第二个人就可以访问该文件了。

注意：
这里的线程都为子线程，如果给数据加了锁，就等于将这些异步的子线程变成同步的了，这也叫做线程同步技术。

3.2 互斥锁使用：


@synchronized(锁对象) { // 需要锁定的代码  };

3.3 互斥锁的优缺点

优点：能有效防止因多线程抢夺资源造成的数据安全问题
缺点：需要消耗大量的CPU资源

互斥锁的使用前提：多条线程抢夺同一块资源的时候使用。

3.4互斥锁在iOS开发中的使用

OC在定义属性时有nonatomic和atomic两种选择

atomic：原子属性，为setter方法加锁（默认就是atomic）
nonatomic：非原子属性，不会为setter方法加锁

3.5 nonatomic和atomic对比

atomic：线程安全，需要消耗大量的资源
nonatomic：非线程安全，适合内存小的移动设备

建议：
所有属性都声明为nonatomic，尽量避免多线程抢夺同一块资源，将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力。

多线程在iOS中的应用：GCD

GCD，全称为 Grand Central Dispatch ，是iOS用来管理线程的技术。纯C语言，提供了非常多强大的函数。

1. GCD的优势

GCD会自动利用更多的CPU内核（比如双核、四核）。
GCD会自动管理线程的生命周期（创建线程、调度任务、销毁线程）。
程序员只需要告诉GCD想要执行什么任务，不需要编写任何线程管理代码。

2. 为什么要用GCD？

为了要提高软件性能，应该异步执行耗时任务(加载图片)，以防止影响主线程任务的执行(UI相应)。

举个🌰 ：
从网络加载一张图片，如果将此任务放到主线程，那么在下载完成的时间里，软件是无法相应用户的任何操作的。特别地，如果当前是在可以滚动的页面，就会造成无法滚动这种体验非常糟的情况。

所以：应该将网络加载放在异步执行，执行成功后，再回到主线程显示加载后的图片(详细做法马上就会讲到)。

3. GCD的使用步骤

由开发者定制将要执行的任务。

将任务添加到队列中，GCD会自动将队列中的任务取出，放到对应的线程中执行。

注意：
任务的取出遵循队列的FIFO原则：先进先出，后进后出。

4. 什么是队列？

队列是用来存放任务的，由GCD将这些任务从队列中取出并放到相应的线程中执行。

GCD的队列可以分为2大类型：

1. 并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务），并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效

2. 串行队列（Serial Dispatch Queue）

让任务一个接着一个地执行（一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）。

那么队列和线程又有什么区别？

简单来说，队列就是用来存放任务的“暂存区”，而线程是执行任务的路径，GCD将这些存在于队列的任务取出来放到相应的线程上去执行，而队列的性质决定了在其中的任务在哪种线程上执行。

下面由一张图来直观地展示任务，队列和线程的关系：

任务，队列和线程

在这里，我们可以看到，放入串行队列的任务会一个一个地执行。而放入并行队列的任务，会在多个线程并发地执行。

5. 队列的创建

5.1 串行队列的创建：

GCD中获得串行有2种途径：

1.使用dispatch_queue_create函数创建串行队列

// 创建串行队列（队列类型传递NULL或者DISPATCH_QUEUE_SERIAL）
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("serial_queue", NULL);

2.使用主队列（跟主线程相关联的队列）

主队列是GCD自带的一种特殊的串行队列：放在主队列中的任务，都会放到主线程中执行。
可以使用dispatch_get_main_queue()获得系统提供的主队列：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();

5.2 并发队列的创建：

1.使用dispatch_queue_create函数创建并发队列。


dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

2.使用dispatch_get_global_queue获得全局并发队列。

GCD默认已经提供了全局的并发队列，供整个应用使用，可以无需手动创建。


dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

6. GCD的几种重要的应用

6.1 子线程与主线程的通信

需求点:我们有时需要在子线程处理一个耗时比较长的任务，而且此任务完成后，要在主线程执行另一个任务。
例子：从网络加载图片（在子线程），加载完成就更新UIView（在主线程）。

为了实现这个需求，我们需要首先拿到全局并发队列（或自己开启一个子线程）来执行耗时的操作，然后在其完成block中拿到全局串行队列来执行UI刷新的任务。

  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

              //加载图片
              NSData *dataFromURL = [NSData dataWithContentsOfURL:imageURL];
              UIImage *imageFromData = [UIImage imageWithData:dataFromURL];

      dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
          
              //加载完成更新view
              UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithImage:imageFromData];          
      });      
  });

以笔者的拙见，除了复杂的算法，网络请求以外，大多数dataWithContentsOf。。。函数可能也会比较耗时，所以以后遇到与NSData交互的操作时，尽量将其放在子线程执行。

6.2 dispatch_once

需求点：用于在程序启动到终止，只执行一次的代码。此代码被执行后，相当于自身全部被加上了注释，不会再执行了。
为了实现这个需求，我们需要使用dispatch_once让代码在运行一次后即刻被“雪藏”。


//使用dispatch_once函数能保证某段代码在程序运行过程中只被执行1次

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    // 只执行1次的代码，这里默认是线程安全的：不会有其他线程可以访问到这里
});

6.3 dispatch_group

需求点：执行多个耗时的异步任务，但是只能等到这些任务都执行完毕后，才能在主线程执行某个任务。
为了实现这个需求，我们需要让将这些异步执行的操作放在dispatch_group_async函数中执行，最后再调用dispatch_group_notify来执行最后执行的任务。

  dispatch_group_t group =  dispatch_group_create();
  dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      // 执行1个耗时的异步操作
  });

  dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      // 执行1个耗时的异步操作
  });

  dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
      // 等前面的异步操作都执行完毕后，回到主线程...
  });

让我们看一下示例代码和运行结果：

示例代码：

为了使对比明显，笔者多开了几条线程，这样更容易看清问题。

    dispatch_group_t group =  dispatch_group_create();    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        // 执行1个耗时的异步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 10000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务1");                
    });
    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        // 执行1个耗时的异步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 20000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务2");        
    });
    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        // 执行1个耗时的异步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 200000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务3");
        
    });
    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        // 执行1个耗时的异步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 400000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务4");
        
    });
    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        // 执行1个耗时的异步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 1000000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务5");
        
    });
            
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        
        // 等前面的异步操作都执行完毕后，回到主线程...
        NSLog(@"都完成了");        
    });

运行结果:

dispatch_group 的使用运行结果

从三次运行的结果来看:

异步执行的任务1-5的最终完成时间是与其自身完成任务所需要的时间并无绝对关联。因为任务5是最耗时的，它在第一次运行结果里并不是最后才完成的。任务1是最不耗时的，但是它在第二次运行结果里也不是最先完成的。

异步执行的任务1-5无论完成顺序如何，只有当他们都完成后才会调用主线程的打印“都完成了”。

6.4 dispatch_barrier

需求点：虽然我们有时要执行几个不同的异步任务，但是我们还是要将其分成两组：当第一组异步任务都执行完成后才执行第二组的异步任务。这里的组可以包含一个任务，也可以包含多个任务。

为了实现这个需求，我们需要使用dispatch_barrier_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);在两组任务之间形成“栅栏”，使其“下方”的异步任务在其“上方”的异步任务都完成之前是无法执行的。


    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("12312312", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任务 1-----");
    });

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任务 2-----");
    });    

    dispatch_barrier_async(queue, ^{
        NSLog(@"----barrier-----");
    });
   
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任务 3-----");
    });

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任务 4-----");
    });

示例代码：

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("12312312", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
   
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 10000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务1");
        
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 20000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务2");
        
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 200000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务3");
        
    });
         
    
    dispatch_barrier_async(queue, ^{        
        NSLog(@"--------我是分割线--------");        
    });
    
        
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 400000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务4");
        
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 1000000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务5");
        
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        
        for (NSInteger index = 0; index < 1000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任务6");
        
    });

运行结果：

dispatch_barrier 的使用运行结果

从这三次运行结果来看:

无论任务1-3内部的执行顺序如何，只有当三者都完成了才会执行任务4-6。
1-3内部的执行顺序和4-6内部的完成顺序都是不可控的，同上一个知识点类似。

本文介绍了需要了解GCD所需的最重要的知识，因为怕打断读者思路，并没有涵盖所有细节。以后有机会会再写一篇深入介绍GCD的文章，查缺补漏。

网友评论

20adb1ed827d:多线程的实现原理：虽然在同一时刻，CPU只能处理1条线程，但是CPU可以快速地在多条线程之间调度（切换），造成了多线程并发执行的假象。这个地方应该是单核CPU的情况吧，多核CPU是可以实现真正的并发执行的
0395d56c5d1e:写的挺好的，简单明了，通篇看完有收获谢谢~
J_Knight_:@shawn橡果有收获就好呀不客气哈
123_1538:不错，看的很舒服，也能理解，很有帮助，谢谢！
J_Knight_:我的目的达到了不用客气哈
Noah1985:并发不是并行。两者非常巨大的差别。
J_Knight_:@Noah1985 嗯嗯好的谢谢
Noah1985:GCD的是并发，查一下字典。。。
J_Knight_:？我没有说两个是一样的啊
家振要翻天:写的很好理解的很快
J_Knight_:@家振要翻天那就好啊～
gitKong:还没看完，不过发现一个问题：3.4互斥锁在iOS开发中的使用这个应该是自旋锁吧，不是互斥锁，发现你在老司机群上，我在群上@你了
J_Knight_:@gitKong 哦哦多谢指正！我去看看
申经炳Ewane:学长好厉害。我要把每篇文章都要好好看看！！！
J_Knight_:@申经炳不难的主要是学以致用加油
申经炳Ewane:@Hero_SJ 自学iOS真的很苦啊。我已经撸gcd好几天了。我要向学长学习。
J_Knight_:@申经炳哪有大家都差不多互相交流啊。看我文章我还是很高兴的
Dottie22:gcd学了这些日常已经够用了。博主可以再写一篇nsoperation的文章，这个才更加抽象，代码风格更加的面向对象哦。
J_Knight_:@touchldz 哈哈是的但是在下比较喜欢C函数暂时先不学啦
舒耀:很不错，简单易懂，其实很多初学者最想知道的是怎么用，挺好。
J_Knight_:@舒耀是的呢~ 遇到知音了
三十六_:写的不错啊！
J_Knight_:@_Coder 谢谢啊！其实我一直觉得能最快让人理解的就是写得好的，希望能达到这个目标