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iOS GCD之任务与队列

iOS GCD之任务与队列

作者: 远方竹叶 | 来源:发表于2020-11-08 17:49 被阅读0次

什么是GCD？

Grand Central Dispatch（GCD）是 Apple 开发的一个多核编程的解决方法。它是一套纯 C 语言的 API，主要用于优化应用程序以支持多核处理器以及其他对称多处理系统。它是一个在线程池模式的基础上执行的并发任务。在 Mac OS X 10.6 雪豹中首次推出，也可在 iOS 4 及以上版本使用。

为什么要用GCD？有什么优势？

  • GCD 可用于多核的并行运算
  • 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

核心

在学习使用之前，先介绍两个核心概念：任务和队列

任务

就是 执行操作 的意思，换句话说就是在线程中执行的那段代码,在 GCD 中是放在 block 中的。执行任务有两种方式：同步执行（sync）和异步执行（async）

  • 异步执行（async）

异步添加任务到指定的队列中，它不会做任何等待，可以继续执行任务。可以在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力。

  • 同步执行（sync）

同步添加任务到指定的队列中，在添加的任务执行结束之前，会一直等待，直到队列里面的任务完成之后再继续执行。只能在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力。

异步执行（async）虽然具有开启新线程的能力，但是并不一定开启新线程。这跟任务所指定的队列类型有关

队列（Dispatch Queue）

这里的队列指执行任务的等待队列，即用来存放任务的队列。队列是一种特殊的线性表，采用 FIFO（先进先出）的原则，即新任务总是被插入到队列的末尾，而读取任务的时候总是从队列的头部开始读取。每读取一个任务，则从队列中释放一个任务。

在 GCD 中，有两种队列：串行队列（Serial Dispatch Queue）和并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

  • 串行队列（Serial Dispatch Queue）

每次只有一个任务被执行。让任务一个接着一个地执行。（只开启一个线程，一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）

  • 并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

可以让多个任务并发（同时）执行。（可以开启多个线程，并且同时执行任务）

并发队列的并发功能只有在异步函数下才有效

使用步骤

GCD 的使用非常简单，只有两步

  • 创建一个队列（串行队列/并发队列）
  • 将任务添加到队列中，然后系统就会根据任务类型执行任务（同步执行或异步执行）

队列的创建方法

可以通过 dispatch_queue_create 来创建队列，源码如下：

API_AVAILABLE(macos(10.6), ios(4.0))
DISPATCH_EXPORT DISPATCH_MALLOC DISPATCH_RETURNS_RETAINED DISPATCH_WARN_RESULT
DISPATCH_NOTHROW
dispatch_queue_t
dispatch_queue_create(const char *_Nullable label,
        dispatch_queue_attr_t _Nullable attr);

可以看到，需要传入两个参数：第一个参数表示队列的唯一标识符，用于 DEBUG，可为空；第二个参数用来识别是串行队列还是并发队列。DISPATCH_QUEUE_SERIAL 表示串行队列，DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT 表示并发队列。

  • 创建一个串行队列
dispatch_queue_t seialQueue = dispatch_queue_create("xxx", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
  • 创建一个并发队列
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("xxx", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

队列的获取方法

GCD 提供了一个特殊的串行队列：主队列（Main Dispatch Queue）。所有放在主队列中的任务，都会放到主线程中执行。获取方法如下：

dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

此外，GCD 还提供了一个全局并发队列：（Global Dispatch Queue）

API_AVAILABLE(macos(10.6), ios(4.0))
DISPATCH_EXPORT DISPATCH_CONST DISPATCH_WARN_RESULT DISPATCH_NOTHROW
dispatch_queue_global_t
dispatch_get_global_queue(intptr_t identifier, uintptr_t flags);

可以看到，获取全局队列也需要传入两个参数。第一个参数表示队列优先级，一般用DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT。第二个参数暂时没用，用 0 即可。

dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

任务的创建方法

GCD 提供了两种执行任务的创建方法：

// 同步执行任务创建方法
dispatch_sync(queue, ^{
    // 同步执行任务代码
});

// 异步执行任务创建方法
dispatch_async(queue, ^{
    // 异步执行任务代码
});

综上所述，GCD 为开发者提供了两种队列（串行/并发）以及两种任务执行方法（同步/异步），所以这里面就有了四种组合。再结合上面提到的主队列和全局并发队列（可以当作是普通的并发队列），现在就有了6种组合：

区别 主队列 串行队列 并发队列
同步 没有开启新线程，死锁 没有开启新线程，顺序执行任务 没有开启新线程，顺序执行任务
异步 没有开启新线程，顺序执行任务 有开启新线程(1条)，顺序执行任务 有开启新线程，并发执行任务

这里我们先给出不同组合的区别，下面详细讲解

基本使用

下面分别介绍下并发队列和串行队列的两种执行方式

并发队列+同步执行

在当前线程中执行任务，不会开启新的线程，执行完一个任务，再执行另一个任务

- (void)syncConcurrent {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"并发队列+同步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("sync.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"并发队列+同步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 所有任务都是在当前线程（主线程）中执行的，没有开启新的线程（同步执行不具备开启新线程的能力）
  • 所有任务的打印都是在 并发队列+同步执行---开始 之后，并发队列+同步执行---结束 之前（同步任务需要等待队列的任务执行结束之后才能执行）
  • 任务是按照先后顺序执行的。虽然并发队列可以开启多个线程，并且同时执行多个任务，但是同步任务不具备开启新线程的能力，所以只有当前线程这一个线程，也就不存在并发。当前线程只有等待当前队列中正在执行的任务执行完毕，才能继续执行下一步操作，所以任务只能一个个按照顺序执行。

并发队列+异步执行

可以开启多个线程，任务交替执行（即我们肉眼看到的同时执行）

- (void)asyncConcurrent {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"并发队列+异步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("async.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"并发队列+异步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 除了当前线程（主线程），系统重新开辟了 3 个线程（异步执行具备开启新线程的能力）
  • 任务是交替执行的（并发队列可开启多个线程，同时 执行多个任务）
  • 所有任务的执行都是在 并发队列+异步执行---开始 和 并发队列+异步执行---结束 之后，说明了当前线程并没有等待，而是直接开启了新的线程，在新的线程中执行任务（异步执行不做等待，可以继续执行任务）

串行队列+异步执行

具备开启新线程的能力，但是因为任务是在串行队列中执行，当前任务执行完毕，才会执行下一个任务

- (void)asyncSerial {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"串行队列+异步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("async.serial", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"串行队列+异步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 开启了新的线程（异步执行具备开启新线程的能力，串行队列只开启一个新线程）
  • 所有任务都是在 串行队列+异步执行---开始 和 串行队列+异步执行---结束 之后开始执行的（异步执行不做任何等待，可以继续执行）
  • 任务是按照先后顺序执行的（串行队列每次只有一个任务被执行，任务一个接一个顺序执行）

串行队列+同步执行

不会开启新的线程，任务会顺序执行的。

- (void)syncSerial {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"串行队列+同步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("sync.serial", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"串行队列+同步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 所有任务都是在当前线程（主线程）中执行的，没有开启新的线程（同步执行不具备开启新线程的能力）
  • 所有任务都是在 串行队列+同步执行---开始 之后， 串行队列+同步执行---结束 之前（同步任务需要等待队列的任务执行结束之后才能执行）
  • 任务是按照顺序先后执行的（串行队列每次只有一个任务被执行，执行完一个任务，才会执行下一步操作）

主队列

是 GCD 自带的一种特殊的队列：

  • 所有放在主队列中的任务，都会放到主线程中执行
  • 获取： dispatch_get_main_queue()

主队列也有两种组合方式

主队列+异步执行

只在主线程中执行任务，执行完一个任务，再执行下一个任务

- (void)asyncMain {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"主队列+异步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"主队列+异步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 所有任务都是在主线程中执行的，并没有开启新线程（异步执行具备开启新线程的能力，但因为在主队列，所有任务都是在主线程中）
  • 所有任务都是在 主队列+异步执行---开始 和 主队列+异步执行---结束 之后执行（异步执行不做任何等待，可以继续执行任务）
  • 任务是按照顺序执行的（主队列是串行队列，每次只有一个任务被执行，一个任务执行完毕，才会执行下一个任务）
主队列+同步执行

同步执行 + 主队列在不同线程中调用结果也是不一样，在主线程中调用会出现死锁，而在其他线程中则不会。

  1. 在主线程中调用 主队列+同步执行

互相等待（死锁）

可以看到：

程序崩溃了，因为我们在主线程中执行 syncMain 方法，相当于把 syncMain 放到了主线程的队列中。同步执行会等待当前队列中的任务执行完毕，才会继续执行。当我们把任务追加到主队列中，任务 1 就在等待主线程处理完 syncMain 任务，而 syncMain 任务需要等待任务 1 执行完毕，才能继续执行。两个任务相互等待，卡住（死锁）后续都执行不了

  1. 在其他线程中调用 主队列+同步执行

不会开启新线程，执行完一个任务，继续执行下一个任务

// 使用 NSThread 的 detachNewThreadSelector 方法会创建线程，并自动启动线程执行
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(syncMain) toTarget:self withObject:nil];

- (void)syncMain {
    NSLog(@"当前线程：%@", [NSThread currentThread]);
    NSLog(@"在其他线程中主队列+同步执行---开始");
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务1
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务1所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务2
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务2所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_sync(queue, ^{
        //任务3
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            sleep(2); //模拟耗时操作
            NSLog(@"任务3所在的线程：%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    NSLog(@"在其他线程中主队列+同步执行---结束");
}

运行项目，输出结果如下：

可以看到：

  • 所有任务都是在主线程（非当前线程）中执行的，没有开启新的线程（所有放在主队列中的任务，都会放到主线程中执行）
  • 所有任务都是在 在其他线程中主队列+同步执行---开始 之后，在其他线程中主队列+同步执行---结束之前执行（同步任务需要等待队列的任务执行结束）
  • 任务是按顺序执行的（主队列是串行队列，每次只有一个任务被执行，任务一个接一个按顺序执行）

syncMain 任务放到了其他线程中执行，当任务1、任务2、任务3追加到主队列中，这三个任务都会在主线程中执行。syncMain 任务在其他线程中执行到追加任务1到主队列中，因为主队列现在没有正在执行的任务，所以，会直接执行主队列的任务1，等任务1执行完毕，再接着执行任务2、任务3。所以这里不会卡住线程

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