谈谈对多线程和GCD的理解

作者: Jadyn_Wu | 来源:发表于2018-03-21 22:42 被阅读46次

多线程（GCD）

GCD是异步执行任务的技术之一，通过Dispatch Queue来控制任务的执行，线程管理由系统实现，比以前更加有效率。

1.多线程编程

多线程原理

当mac或者iPhone打开一个app的时候，首先就将包含在应用程序中的CPU命令列配置到内存中，CPU从应用程序指定的地址开始，一个一个地执行CPU命令列。即便地址分散在各处，也是一条无分叉的路径。

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这里的“一个CPU执行的CPU命令列为一条无分叉路径”就是“线程”。

在1个CPU核工作下的多线程中，这个CPU可以“同时”执行多条不同路径上的命令，实现多线程，但基于CPU一个时间只能执行一个内存块的原则，CPU其实是每隔一段时间在不同路径上切换执行（被称为“上下文切换”），使看起来像同时在执行一样。

现在一个物理CPU芯片有64核（64个CPU），一台计算机会有多个CPU核同时在工作，这就不是看起来像同时在执行了，可能其他的CPU分担了一些路径执行。

多线程解决的事情：

简单来说：多线程可以保证应用程序的响应性能。

在iOS程序启动时，通过主线程绘制页面、响应触摸事件。如果在主线程中有耗时的操作，就会妨碍主线程（Runloop主循环）的执行，从而不能更新用户界面，画面停滞等问题。

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使用多线程，可以在长时间处理时，仍然能保证用户界面的响应性能。

多线程容易发生的问题：

多个线程更新相同的资源会导致数据不一致
停止等待时间的线程会导致多个线程相互持续等待（死锁）
使用太多线程会消耗大量内存

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2.GCD原理

Dispatch Queue执行处理的等待队列。定义想执行的任务并追加到适当的Dispatch Queue中，Dispatch Queue按照追加的顺序（FIFO）执行处理。

Serial Dispatch Queue在一条队列上，按照FIFO的顺序执行追加的任务，后追加的任务需要等待前追加的执行完才能执行。
Concurrent Dispatch Queue由XNU内核管理多条任务链，不等待且不分顺序的执行任务。

同步 & 异步

同步（dispatch_sync）将指定任务追加到指定的队列中，并等待这个追加任务的结束。
异步（dispatch_async）将指定任务追加到指定的队列中，不等待这个追加任务的结束，继续向后执行。

Concurrent Dispatch Queue并发队列原理

iOS和OS X核心—— XNU内核决定应当使用的线程数，并只生成所需的线程数处理任务，当处理结束时，应当执行的处理数减少时，XNU内核会结束不再需要的线程。假如当Concurrent Dispatch Queue执行8个任务的时候，由于开辟线程会有内存小号，XNU并不一定会开8个线程在8条不同的队列上同时执行8个任务，而可能像下图这样用4个Concurrent Dispatch Queue用线程执行：

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执行顺序会根据处理内容和系统状态发生改变调整。

Serial Dispatch Queue串行队列原理

在执行顺序不能改变或不想并发执行任务的时候使用Serial Dispatch Queue，但是Serial Dispatch Queue比Concurrent Dispatch Queue能生成更多的线程，如果有1000个任务就会创建1000个Serial Dispatch Queue，会大量的占用系统的资源。

同步串行（dispatch_sync + Serial Dispatch Queue）

不新增线程
- 在当前串行队列下：线程暂停执行当前队列的任务（当前线程进入无限时间的等待直到新指派的任务完成），新指派的任务根据FIFO法则排在当前队列任务的后面（线程进入无限时间等待前一个任务执行结束），互相等待，引起线程死锁。
- 在新增串行队列下：暂停当前队列中的任务（当前队列进入无限时间的等待直到新指派的任务完成），新指派的任务在新的队列中，线程切换上下文到新队列执行新任务结束后回到原队列（等到结束），原队列线程继续执行原队列任务。
同步并发（dispatch_sync + Concurrent Dispatch Queue）不新增线程线程暂停执行当前队列的任务，由于并发型队列并行执行数量由内核XNU控制，新任务被派发到新队列中，当前线程切换上下文到新队列执行新派发的任务，执行结束后，切换回原队列。
异步串行（dispatch_async + Serial Dispatch Queue）新增线程
- 新增一条队列：新派发的任务被按FIFO的顺序放置在新增的这条队列中，在新增的多条线程中随机选择一条，依次执行队列上的任务，其余线程闲置，直到此队列被释放。
- 新增多条队列：新派发的任务被各自放置在不同的串行队列中，每个队列对应一条线程，相互执行没有时间顺序，效果等同于并发，但是性能不如并发，因为创建几条队列就会有几条线程数，数量过多时会影响系统性能，而并发是由XNU内核控制并调整线程数的。
异步并发（dispatch_async + Concurrent Dispatch Queue）新增线程，也新增队列并行执行的处理数量取决于当前的系统状态，即XNU内核基于队列中的处理数、CPU核数以及CPU负荷等当前系统的状态来决定并行的处理数，任务的执行顺序会根据处理内容和系统状态发生改变。

3.GCD使用

dispatch_release在iOS6.0\macOS10.8以后就不需要使用了

3.1 Dispatch Queue创建的dispatch queue对象名称为：dispatch_queue_t

创建方式:

//参数1 队列的名称，使用FQDN的命名方式，有助于后期的debug，会出现在程序崩溃时候的crashLog中
//参数2 串行队列为DISPATCH_QUEUE_SERIAL或NULL  并发队列为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT
dispatch_queue_t queueName = dispatch_queue_create("com.example.gcd.queueName",NULL);

3.2 Main Dispatch Queue && Global Dispatch Queue

Main Dispatch Queue：主线程所在的队列，只有一个，属于serial队列，更新UI等处理需要在此队列中执行
Global Dispatch Queue：全局队列，属于concurrent队列，有四个优先级

获取Main Dispatch Queue：

dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

获取Global Dispatch Queue：

//global dispatch queue 的四个优先级
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH 2
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT 0
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW (-2)
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND INT16_MIN

//参数1 优先级
//参数2 备用参数，一般填0
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

组合使用：

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
 //并发处理一些耗时的任务
 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
 //回到主线程，做更新UI等操作
 });
});

3.3 dispatch_set_target_queue

设置队列的优先级
建立队列的执行阶层

当使用dispatch_queue_create创建队列的时候，不管是串行还是并行，它们的优先级都是DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT级别。

//设置队列的优先级
//参数1 被设优先级的队列
//参数2 目标队列
//将参数1的优先级设置成参数2的优先级
dispatch_set_target_queue(changedQueue, targetQueue);

//设置队列的执行阶层
//参数1 被指派的队列
//参数2 目标队列
//将changedQueue的任务指派到targetQueue中，如果targetQueue是串行，则changedQueue也是串行，反之亦然
//如果targetQueue是串行可以防止changedQueue并行执行
dispatch_set_target_queue(changedQueue, targetQueue);

3.4 dispatch_after

在指定的时间异步追加任务到指定队列，而不是指定时间执行任务。

//时间单位  NSEC:纳秒 USEC:微秒 SEC:秒 PER:每
#define NSEC_PER_SEC 1000000000ull  //每秒有多少纳秒
#define NSEC_PER_MSEC 1000000ull  //每毫秒有多少纳秒
#define USEC_PER_SEC 1000000ull  //每秒有多少微秒
#define NSEC_PER_USEC 1000ull  //每微秒有多少纳秒

//相对时间
//参数1：时间起点  DISPATCH_TIME_NOW现在   DISPATCH_TIME_FOREVER永久以后
//参数2：时间偏移量  ull是C语言的数值字面量  detal的单位是纳秒
dispatch_time_t time = dispatch_time(dispatch_time_t when, int64_t delta);
//绝对时间 (如2011年11月11日11时11分11秒)
//参数1：struct timespec类型的时间
dispatch_time_t wallTime = dispatch_walltime(const struct timespec * _Nullable when, int64_t delta);
//在time时间时，将block追加到queue中
dispatch_after(time, queue, ^{ 
});

绝对时间的使用方式：

//将NSDate对象转换成dispatch_time_t对象的方法
- (dispatch_time_t)getDispatchTimeByDate:(NSDate *)date
{
 NSTimeInterval interval = date.timeIntervalSince1970;
 double second, subsecond;
 subsecond = modf(interval, &second);
 struct timespec time;
 time.tv_sec = second;
 time.tv_nsec = subsecond * NSEC_PER_SEC;
 dispatch_time_t walltime = dispatch_walltime(&time, 0);
 return walltime;
}

3.5 dispatch_group

用来监听多个并发执行任务全部执行结束

//创建一个group
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
//创建全局并发队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
//添加若干个并发队列执行任务
dispatch_group_async(group, queue, ^{});
dispatch_group_async(group, queue, ^{});
//当所有并发队列执行结束后，触发此方法，将任务追加到指定的队列
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{});

dispatch_group_wait不仅能做到等待group中的并发任务结束，还能设置等待一定的时间。等待的原理就是执行dispatch_group_wait的线程被暂停执行任务，当时间到或者group里的并发任务全部执行完毕，激活dispatch_group_wait的执行线程并返回结果。而dispatch_group_notify是简化dispatch_group_wait使用的一种方式。

//用dispatch_group_wait实现等待一秒
dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1ull * NSEC_PER_SEC);
//时间到或者group结束之前，线程被停止在这里，不往下执行。
long result = dispatch_group_wait(group, time);
//当时间到了，或者group出结果了，result得到结果
if(result == 0) {
 //group执行结束
} else {
 //时间到
}

3.6 dispatch_barrier_async

在并发队列中的等待追加的处理全部执行结束后串行追加到queue中，一般用来划分存取数据（排他控制），实现高效率数据库访问。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
//任务被最先追加到队列中
dispatch_async(queue, ^{});
//执行dispatch_barrier_async的线程开始无限时等待，重新执行的信号是之前的queue中的任务都执行完毕
dispatch_barrier_async(queue, ^{});//开始执行时，任务被追加到串行队列，后续的任务开始排队
//在barrier任务执行结束后，后续任务才开始执行
dispatch_async(queue, ^{});

dispatch_group和dispatch_set_target_queue也能实现按序等待，但是源代码会很复杂。

3.8 dispatch_apply

在指定的队列上重复执行一定的次数，并等待全部处理执行结束。

形式上与dispatch_sync 和dispatch_group组合效果一样，为了避免阻塞主线程，推荐在dispatch_async中使用。

dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_queue_create("com.example.gcd.queueName",DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
//把当前线程喊停，往globalQueue上依次追加10个任务
dispatch_apply(10, globalQueue, ^(size_t index) {
 NSLog(@"%zu",index);
});
//只有等10个任务全部处理结束了，当前线程才会继续往后走，中间这段时间线程阻塞
NSLog(@"done");

3.9 dispatch_suspend && dispatch_resume

dispatch_suspend：挂起已追加但是尚未执行的队列，如果已经开始执行的，就无法挂起了
dispatch_resume：恢复执行队列

//挂起队列
dispatch_suspend(queue);
//恢复队列            
dispatch_resume(queue);

3.10 Dispatch Semaphore

比dispatch_barrier_async处理更细粒度的排他控制，如果在多线程环境下往NSMutableArray中添加Object，，如果两个object几乎同时被加入，那就可能会出现，前一个object插入未完成，后一个就开始了。

信号量在多线程开发中被广泛使用，当一个线程在进入一段关键代码之前，线程必须获取一个信号量，一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待前面的线程释放信号量。

信号量的具体做法是：当信号计数大于0时，每条进来的线程使计数减1，直到变为0，变为0后其他的线程将进不来，处于等待状态；执行完任务的线程释放信号，使计数加1，如此循环下去。

3.11 dispatch_once

多线程下百分之百安全的做到只执行一次

//获取静态变量once
static dispatch_once_t once;
dispatch_once(&once, ^{
 //里面的内容可以保证只被执行一次
});

谈谈对多线程和GCD的理解

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3.GCD使用

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