iOS多线程系列之三：GCD用法大全

作者: 十拿九稳啦 | 来源:发表于2019-02-27 23:02 被阅读0次

一、GCD简介

GCD（Grand Central Dispatch）伟大的中央调度系统，是苹果为多核并行运算提出的C语言并发技术框架。

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

一些专业术语

dispatch :派遣/调度
    
queue:队列
    用来存放任务的先进先出（FIFO）的容器
sync:同步
    只是在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
async:异步
    可以在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力
concurrent:并发
    多个任务并发（同时）执行
串行：
    一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

二、GCD中的核心概念

1.任务

任务就是要在线程中执行的操作。我们需要将要执行的代码用block封装好，然后将任务添加到队列并指定任务的执行方式，等待CPU从队列中取出任务放到对应的线程中执行。

 - queue：队列
 - block：任务
// 1.用同步的方式执行任务
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

// 2.用异步的方式执行任务
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

// 3.GCD中还有个用来执行任务的函数
// 在前面的任务执行结束后它才执行，而且它后面的任务等它执行完成之后才会执行
dispatch_barrier_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

2.队列

队列以先进先出按照执行方式（并发/串行）调度任务在对应的线程上执行；
队列分为：自定义队列、主队列和全局队列；

<1>自定义队列
自定义队列又分为：串行队列和并发队列

串行队列
串行队列一次只调度一个任务，一个任务完成后再调度下一个任务

// 1.使用dispatch_queue_create函数创建串行队列
////OC
// 创建串行队列（队列类型传递NULL或者DISPATCH_QUEUE_SERIAL）
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("serialQueue", NULL);
////Swift
let serialQueue = DispatchQueue(label: "serialQueue")

// 2.获得主队列
////OC
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
////Swift
let mainQueue = DispatchQueue.main
注意：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。

并发队列
并发队列可以同时调度多个任务，调度任务的方式，取决于执行任务的函数；并发功能只有在异步的（dispatch_async）函数下才有效；异步状态下，开启的线程上限由GCD底层决定。

// 1.使用dispatch_queue_create函数创建队列
dispatch_queue_t
dispatch_queue_create(const char *label, // 队列名称,该名称可以协助开发调试以及崩溃分析报告 
dispatch_queue_attr_t attr); // 队列的类型

// 2.创建并发队列
////OC
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("concurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
////Swift
let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "concurrentQueue",attributes:.concurrent)

自定义队列在MRC开发时需要使用dispatch_release释放队列

#if !__has_feature(objc_arc)
    dispatch_release(queue);
#endif

<2>主队列
主队列负责在主线程上调度任务，如果在主线程上有任务执行，会等待主线程空闲后再调度任务执行。
主队列用于UI以及触摸事件等的操作，我们在进行线程间通信，通常是返回主线程更新UI的时候使用到

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    // 耗时操作
    // ...
    //放回主线程的函数
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        // 在主线程更新 UI
    });
});

<3>全局并发队列

全局并发队列是由苹果API提供的，方便程序员使用多线程。

//使用dispatch_get_global_queue函数获得全局的并发队列
dispatch_queue_t dispatch_get_global_queue(dispatch_queue_priority_t priority, unsigned long flags);
// dispatch_queue_priority_t priority(队列的优先级 )
// unsigned long flags( 此参数暂时无用，用0即可 )

//获得全局并发队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

全局并发队列有优先级

//全局并发队列的优先级
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH 2 // 高优先级
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT 0 // 默认（中）优先级
//注意，自定义队列的优先级都是默认优先级
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW (-2) // 低优先级
#define DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND INT16_MIN // 后台优先级

然而,iOS8 开始使用 QOS(quality of service
) 替代了原有的优先级。获取全局并发队列时，直接传递 0，可以实现 iOS 7 & iOS 8 later 的适配。

//像这样
dispatch_get_global_queue(0, 0);

<4>全局并发队列与并发队列的区别

全局并发队列与并发队列的调度方法相同
全局并发队列没有队列名称
在MRC开发中，全局并发队列不需要手动释放

<5>QOS (服务质量) iOS 8.0 推出

QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE:用户交互,会要求 CPU 尽可能地调度此任务,耗时操作不应该使用此服务质量
QOS_CLASS_USER_INITIATED:用户发起,比 QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE 的调度级别低，但是比默认级别高;耗时操作同样不应该使用此服务质量；如果用户希望任务尽快执行完毕返回结果，可以选择此服务质量；
QOS_CLASS_DEFAULT：默认，此 QOS 不是为添加任务准备的，主要用于传送或恢复由系统提供的 QOS 数值时使用
QOS_CLASS_UTILITY：实用，耗时操作可以使用此服务质量；
QOS_CLASS_BACKGROUND：后台，指定任务以最节能的方式运行
QOS_CLASS_UNSPECIFIED：没有指定 QOS

3.执行任务的函数

<1>同步（dispatch_sync）

执行完这一句代码，再执行后续的代码就是同步

任务被添加到队列后，会当前线程被调度；队列中的任务同步执行完成后，才会调度后续任务。－在主线程中，向主队列添加同步任务，会造成死锁
－在其他线程中，向主队列向主队列添加同步任务，则会在主线程中同步执行。
具体是否会造成死锁，以及死锁的原因，还需要针对具体的情况分析，理解队列和执行任务的函数才是关键。实际开发中一般只要记住常用的组合就可以了。
我们可以利用同步的机制，建立任务之间的依赖关系
例如：

用户登录后，才能够并发下载多部小说
只有“用户登录”任务执行完成之后，多个下载小说的任务才能够“异步”执行
所有下载任务都依赖“用户登录”

<2>异步（dispatch_async）

不必等待这一句代码执行完，就执行下一句代码就是异步

异步是多线程的代名词,当任务被添加到主队列后，会等待主线程空闲时才会调度该任务；添加到其他线程时，会开启新的线程调度任务。
<3>以函数指针的方式调度任务
函数指针的调用方式有两种,同样是同步和异步；函数指针的传递类似于 pthread。

dispatch_sync_f
dispatch_async_f

函数指针调用在实际开发中几乎不用，只是有些面试中会问到，dispatch + block 才是 gcd 的主流！

4.开发中如何选择队列

选择队列当然是要先了解队列的特点
串行队列：对执行效率要求不高，对执行顺序要求高，性能消耗小
并发队列：对执行效率要求高，对执行顺序要求不高，性能消耗大
如果不想兼顾 MRC 中队列的释放，建议选择使用全局队列 + 异步任务。

三、GCD的其他用法

1.延时执行

参数1：从现在开始经过多少纳秒，参数2：调度任务的队列，参数3：异步执行的任务
dispatch_after(when, queue, block)
例如：

dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 2秒后异步执行这里的代码...
});

2.一次性执行

应用场景：保证某段代码在程序运行过程中只被执行一次，在单例设计模式中被广泛使用。

// 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(这里面默认是线程安全的)
});

3.调度组（队列组）

应用场景：需要在多个耗时操作执行完毕之后，再统一做后续处理

//创建调度组
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
//将调度组添加到队列，执行 block 任务
dispatch_group_async(group, queue, block);
//当调度组中的所有任务执行结束后，获得通知，统一做后续操作
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), block);

例如：

// 分别异步执行2个耗时的操作、2个异步操作都执行完毕后，再回到主线程执行操作
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...
});

4.定时器

//创建代码
dispatch_source_t CreateDispatchTimer(uint64_t interval,
  uint64_t leeway,
  dispatch_queue_t queue,
  dispatch_block_t block)
{
 dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER,
       0, 0, queue);
 if (timer)
 {
 dispatch_source_set_timer(timer, dispatch_walltime(NULL, 0), interval, leeway);
 dispatch_source_set_event_handler(timer, block);
 dispatch_resume(timer);
 }
 return timer;
}

Dispatch Source Timer 是间隔定时器，也就是说每隔一段时间间隔定时器就会触发。在 NSTimer 中要做到同样的效果需要手动把 repeats 设置为 YES。
dispatch_source_set_timer 中第二个参数，当我们使用dispatch_time 或者 DISPATCH_TIME_NOW 时，系统会使用默认时钟来进行计时。然而当系统休眠的时候，默认时钟是不走的，也就会导致计时器停止。使用 dispatch_walltime 可以让计时器按照真实时间间隔进行计时。

dispatch_time与dispatch_walltime 区别
使用第一个函数创建的是一个相对的时间,第一个参数开始时间参考的是当前系统的时钟,当 device 进入休眠之后,系统的时钟也会进入休眠状态, 第一个函数同样被挂起; 假如 device 在第一个函数开始执行后10分钟进入了休眠状态,那么这个函数同时也会停止执行,当你再次唤醒 device 之后,该函数同时被唤醒,但是事件的触发就变成了从唤醒 device 的时刻开始,1小时之后
而第二个函数则不同,他创建的是一个绝对的时间点,一旦创建就表示从这个时间点开始,1小时之后触发事件,假如 device 休眠了10分钟,当再次唤醒 device 的时候,计算时间间隔的时间起点还是开始时就设置的那个时间点, 而不会受到 device 是否进入休眠影响

dispatch_source_set_timer 的第四个参数 leeway 指的是一个期望的容忍时间，将它设置为 1 秒，意味着系统有可能在定时器时间到达的前 1 秒或者后 1 秒才真正触发定时器。在调用时推荐设置一个合理的 leeway 值。需要注意，就算指定 leeway 值为 0，系统也无法保证完全精确的触发时间，只是会尽可能满足这个需求。
event handler block 中的代码会在指定的 queue 中执行。当 queue 是后台线程的时候，dispatch timer 相比 NSTimer 就好操作一些了。因为 NSTimer 是需要 Runloop 支持的，如果要在后台 dispatch queue 中使用，则需要手动添加 Runloop。使用 dispatch timer 就简单很多了。
dispatch_source_set_event_handler 这个函数在执行完之后，block 会立马执行一遍，后面隔一定时间间隔再执行一次。而 NSTimer 第一次执行是到计时器触发之后。这也是和 NSTimer 之间的一个显著区别。
停止 Timer

停止 Dispatch Timer 有两种方法，一种是使用 dispatch_suspend，另外一种是使用 dispatch_source_cancel。

dispatch_suspend 严格上只是把 Timer 暂时挂起，它和 dispatch_resume 是一个平衡调用，两者分别会减少和增加 dispatch 对象的挂起计数。当这个计数大于 0 的时候，Timer 就会执行。在挂起期间，产生的事件会积累起来，等到 resume 的时候会融合为一个事件发送。
注意
dispatch_source_cancel 则是真正意义上的取消 Timer。被取消之后如果想再次执行 Timer，只能重新创建新的 Timer。这个过程类似于对 NSTimer 执行 invalidate。

关于取消 Timer，另外一个很重要的注意事项：dispatch_suspend 之后的 Timer，是不能被释放的！因此使用 dispatch_suspend 时，Timer 本身的实例需要一直保持。使用 dispatch_source_cancel 则没有这个限制。

下面的代码会引起崩溃：
- (void)stopTimer
{
 dispatch_suspend(_timer);//EXC_BAD_INSTRUCTION 崩溃
 //dispatch_source_cancel(_timer);//OK
 _timer = nil; // 
}

四、基于GCD的单例模式

作用：
可以保证在程序运行过程，一个类只有一个实例，而且该实例易于供外界访问。从而方便地控制了实例个数，并节约系统资源
使用场合:
在整个应用程序中，共享一份资源（这份资源只需要创建初始化1次）

实现方法
重写实现

// 1.在.m中保留一个全局的static的实例
static id _instance;

// 2.重写allocWithZone:方法，在这里创建唯一的实例（注意线程安全）
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [super allocWithZone:zone];
    });
    return _instance;
}

// 3.提供1个类方法让外界访问唯一的实例
+ (instancetype)sharedInstance
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [[self alloc] init];
    });
    return _instance;
}

// 4.实现copyWithZone:方法
- (id)copyWithZone:(struct _NSZone *)zone
{
    return _instance;
}

宏实现

// .h文件
#define SingletonH(name) + (instancetype)shared##name;

// .m文件
#define SingletonM(name) 
static id _instance; 
 
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone 
{ 
    static dispatch_once_t onceToken; 
    dispatch_once(&onceToken, ^{ 
        _instance = [super allocWithZone:zone]; 
    }); 
    return _instance; 
} 
 
+ (instancetype)shared##name 
{ 
    static dispatch_once_t onceToken; 
    dispatch_once(&onceToken, ^{ 
        _instance = [[self alloc] init]; 
    }); 
    return _instance; 
} 
 
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone 
{ 
    return _instance; 
}

五、如何取消GCD任务

有一部分人说GCD无法取消任务，也有人站出反对说话不负责任。那么我们先来看看他提供的方案：return就可以正常结束一段代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self gcdTest];
}


- (void)gcdTest{
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        // 模拟耗时操作
        for (long i=0; i<100000; i++) {
            NSLog(@"i:%ld",i);
            sleep(1);
            // 山不过来，我就过去
            if (gcdFlag==YES) {
                NSLog(@"收到gcd停止信号");
                return ;
            }
        };
    });

    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(3 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"发出停止gcd信号！");
        gcdFlag = YES;
    });
}

GCD中的定时器

//0.创建一个队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

    //1.创建一个GCD的定时器
    /*
     第一个参数：说明这是一个定时器
     第四个参数：GCD的回调任务添加到那个队列中执行，如果是主队列则在主线程执行
     */
    dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);

    //2.设置定时器的开始时间，间隔时间以及精准度

    //设置开始时间，三秒钟之后调用
    dispatch_time_t start = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,3.0 *NSEC_PER_SEC);
    //设置定时器工作的间隔时间
    uint64_t intevel = 1.0 * NSEC_PER_SEC;

    /*
     第一个参数：要给哪个定时器设置
     第二个参数：定时器的开始时间DISPATCH_TIME_NOW表示从当前开始
     第三个参数：定时器调用方法的间隔时间
     第四个参数：定时器的精准度，如果传0则表示采用最精准的方式计算，如果传大于0的数值，则表示该定时切换i可以接收该值范围内的误差，通常传0
     该参数的意义：可以适当的提高程序的性能
     注意点：GCD定时器中的时间以纳秒为单位（面试）
     */

    dispatch_source_set_timer(timer, start, intevel, 0 * NSEC_PER_SEC);

    //3.设置定时器开启后回调的方法
    /*
     第一个参数：要给哪个定时器设置
     第二个参数：回调block
     */
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        NSLog(@"------%@",[NSThread currentThread]);
    });

    //4.执行定时器
    dispatch_resume(timer);

    //注意：dispatch_source_t本质上是OC类，在这里是个局部变量，需要强引用
    self.timer = timer;

GCD定时器补充
/*
 DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER         定时响应（定时器事件）
 DISPATCH_SOURCE_TYPE_SIGNAL        接收到UNIX信号时响应

 DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ          IO操作，如对文件的操作、socket操作的读响应
 DISPATCH_SOURCE_TYPE_WRITE         IO操作，如对文件的操作、socket操作的写响应
 DISPATCH_SOURCE_TYPE_VNODE         文件状态监听，文件被删除、移动、重命名
 DISPATCH_SOURCE_TYPE_PROC          进程监听,如进程的退出、创建一个或更多的子线程、进程收到UNIX信号

 下面两个都属于Mach相关事件响应
    DISPATCH_SOURCE_TYPE_MACH_SEND
    DISPATCH_SOURCE_TYPE_MACH_RECV
 下面两个都属于自定义的事件，并且也是有自己来触发
    DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_ADD
    DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_OR
 */

iOS多线程系列之一：多线程基础
 iOS多线程系列之二： NSThread
iOS多线程系列之三：GCD
iOS多线程系列之四：NSOperation以及多线程技术比较