多线程编程 4 - GCD

一、简介

 

在iOS所有实现多线程的方案中,GCD应该是最有魅力的,因为 GCD本身是苹果公司为多核的并行运算提出的解决方案。GCD在工作时会自动利用更多的处理器核心,以充分利用更强大的机器。GCD是Grand Central Dispatch的简称,它是基于C语言的。如果使用GCD,完全由系统管理线程,我们不需要编写线程代码。只需定义想要执行的任务,然后添加到适当的调度队列(dispatch queue)。GCD会负责创建线程和调度你的任务,系统直接提供线程管理

二、调度队列(dispath queue)

 

1.GCD的一个重要概念是队列,它的核心理念:将长期运行的任务拆分成多个工作单元,并将这些单元添加到dispath queue中,系统会为我们管理这些dispath queue,为我们在多个线程上执行工作单元,我们不需要直接启动和管理后台线程。

 

2.系统提供了许多预定义的dispath queue,包括可以保证始终在主线程上执行工作的dispath queue。也可以创建自己的dispath queue,而且可以创建任意多个。GCD的dispath queue严格遵循FIFO(先进先出)原则,添加到dispath queue的工作单元将始终按照加入dispath queue的顺序启动。

 

3.dispatch queue按先进先出的顺序,串行或并发地执行任务

 

1> serial dispatch queue一次只能执行一个任务, 当前任务完成才开始出列并启动下一个任务

 

2> concurrent dispatch queue则尽可能多地启动任务并发执行


三、创建和管理dispatch queue

 

1.获得全局并发Dispatch Queue (concurrent dispatch queue)

 

1> 并发dispatch queue可以同时并行地执行多个任务,不过并发queue仍然按先进先出的顺序来启动任务。并发queue会在之前的任务完成之前就出列下一个任务并开 始执行。并发queue同时执行的任务数量会根据应用和系统动态变化,各种因素包括:可用核数量、其它进程正在执行的工作数量、其它串行dispatch queue中优先任务的数量等.

 

2> 系统给每个应用提供三个并发dispatch queue,整个应用内全局共享,三个queue的区别是优先级。你不需要显式地创建这些queue,使用dispatch_get_global_queue函数来获取这三个queue:

  1. // 获取默认优先级的全局并发dispatch queue  
  2. dispatch_queue_t  queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  

第一个参数用于指定优先级,分别使用DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH和DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW两个常来获取高和低优先级的两个queue;第二个参数目前未使用到,默认0即可

3> 虽然dispatch queue是引用计数的对象,但你不需要retain和release全局并发queue。因为这些queue对应用是全局的,retain和 release调用会被忽略。你也不需要存储这三个queue的引用,每次都直接调用dispatch_get_global_queue获得queue 就行了。 

2.创建串行Dispatch Queue (serial dispatch queue)

 

1> 应用的任务需要按特定顺序执行时,就需要使用串行Dispatch Queue,串行queue每次只能执行一个任务。你可以使用串行queue来替代锁,保护共享资源 或可变的数据结构。和锁不一样的是,串行queue确保任务按可预测的顺序执行。而且只要你异步地提交任务到串行queue,就永远不会产生死锁

2> 你必须显式地创建和管理所有你使用的串行queue,应用可以创建任意数量的串行queue,但不要为了同时执行更多任务而创建更多的串行queue。如果你需要并发地执行大量任务,应该把任务提交到全局并发queue

3> 利用dispatch_queue_create函数创建串行queue,两个参数分别是queue名和一组queue属性

 

  1. dispatch_queue_t queue;  
  2. queue = dispatch_queue_create("cn.itcast.queue", NULL);  

 

3.运行时获得公共Queue
GCD提供了函数让应用访问几个公共dispatch queue:

1> 使用dispatch_get_current_queue函数作为调试用途,或者测试当前queue的标识。在block对象中调用这个函数会返回 block提交到的queue(这个时候queue应该正在执行中)。在block对象之外调用这个函数会返回应用的默认并发queue。
2> 使用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程关联的串行dispatch queue
3> 使用dispatch_get_global_queue来获得共享的并发queue


4.Dispatch Queue的内存管理

1> Dispatch Queue和其它dispatch对象(还有dispatch source)都是引用计数的数据类型。当你创建一个串行dispatch queue时,初始引用计数为 1,你可以使用dispatch_retain和dispatch_release函数来增加和减少引用计数。当引用计数到达 0 时,系统会异步地销毁这个queue

2> 对dispatch对象(如dispatch queue)retain和release 是很重要的,确保它们被使用时能够保留在内存中。和OC对象一样,通用的规则是如果使用一个传递过来的queue,你应该在使用前retain,使用完之 后release

3> 你不需要retain或release全局dispatch queue,包括全局并发dispatch queue和main dispatch queue

4> 即使你实现的是自动垃圾收集的应用,也需要retain和release创建的dispatch queue和其它dispatch对象。GCD 不支持垃圾收集模型来回收内存


四、添加任务到queue

 

要执行一个任务,你需要将它添加到一个适当的dispatch queue,你可以单个或按组来添加,也可以同步或异步地执行一个任务,也。一旦进入到queue,queue会负责尽快地执行你的任务。一般可以用一个block来封装任务内容。

1.添加单个任务到queue

1> 异步添加任务
 

你可以异步或同步地添加一个任务到Queue,尽可能地使用 dispatch_async或dispatch_async_f函数异步地调度任务。因为添加任务到Queue中时,无法确定这些代码什么时候能够执 行。因此异步地添加block或函数,可以让你立即调度这些代码的执行,然后调用线程可以继续去做其它事情。特别是应用主线程一定要异步地 dispatch 任务,这样才能及时地响应用户事件

2> 同步添加任务

少数时候你可能希望同步地调度任务,以避免竞争条件或其它同步错误。 使用dispatch_sync和dispatch_sync_f函数同步地添加任务到Queue,这两个函数会阻塞当前调用线程,直到相应任务完成执行。注意:绝对不要在任务中调用 dispatch_sync或dispatch_sync_f函数,并同步调度新任务到当前正在执行的 queue。对于串行queue这一点特别重要,因为这样做肯定会导致死锁;而并发queue也应该避免这样做。

3> 代码演示

[java] view plaincopy

  1. // 调用前,查看下当前线程  
  2. NSLog(@"当前调用线程:%@", [NSThread currentThread]);  
  3.   
  4. // 创建一个串行queue  
  5. dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("cn.itcast.queue", NULL);  
  6.   
  7. dispatch_async(queue, ^{  
  8.     NSLog(@"开启了一个异步任务,当前线程:%@", [NSThread currentThread]);  
  9. });  
  10.   
  11. dispatch_sync(queue, ^{  
  12.     NSLog(@"开启了一个同步任务,当前线程:%@", [NSThread currentThread]);  
  13. });  
  14. // 销毁队列  
  15. dispatch_release(queue);  

打印信息:

  1. 2013-02-03 09:03:37.348 thread[6491:c07] 当前调用线程:<NSThread: 0x714fa80>{name = (null), num = 1}  
  2. 2013-02-03 09:03:37.349 thread[6491:1e03] 开启了一个异步任务,当前线程:<NSThread: 0x74520a0>{name = (null), num = 3}  
  3. 2013-02-03 09:03:37.350 thread[6491:c07] 开启了一个同步任务,当前线程:<NSThread: 0x714fa80>{name = (null), num = 1}  


2.并发地执行循环迭代

如果你使用循环执行固定次数的迭代, 并发dispatch queue可能会提高性能。

 

例如下面的for循环:


[java] view plaincopy

  1. int i;  
  2. int count = 10;  
  3. for (i = 0; i < count; i++) {  
  4.    printf("%d  ",i);  
  5. }  

 

1> 如果每次迭代执行的任务与其它迭代独立无关,而且循环迭代执行顺序也无关紧要的话,你可以调用dispatch_apply或 dispatch_apply_f函数来替换循环。这两个函数为每次循环迭代将指定的block或函数提交到queue。当dispatch到并发 queue时,就有可能同时执行多个循环迭代。用dispatch_apply或dispatch_apply_f时你可以指定串行或并发 queue。并发queue允许同时执行多个循环迭代,而串行queue就没太大必要使用了。

 

下面代码使用dispatch_apply替换了for循环,你传递的block必须包含一个size_t类型的参数,用来标识当前循环迭代。第一次迭代这个参数值为0,最后一次值为count - 1
 

  1. // 获得全局并发queue  
  2. dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  
  3. size_t count = 10;  
  4. dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i) {  
  5.     printf("%zd ", i);  
  6. });  
  7. // 销毁队列  
  8. dispatch_release(queue);  

打印信息:

  1. 1 2 0 3 4 5 6 7 8 9   

可以看出,这些迭代是并发执行的

和普通for循环一样,dispatch_apply和 dispatch_apply_f函数也是在所有迭代完成之后才会返回,因此这两个函数会阻塞当前线程,主线程中调用这两个函数必须小心,可能会阻止事件 处理循环并无法响应用户事件。所以如果循环代码需要一定的时间执行,可以考虑在另一个线程中调用这两个函数。如果你传递的参数是串行queue,而且正是 执行当前代码的queue,就会产生死锁

3.在主线程中执行任务

1> GCD提供一个特殊的dispatch queue,可以在应用的主线程中执行任务。只要应用主线程设置了run loop(由CFRunLoopRef类型或NSRunLoop对象管理),就会自动创建这个queue,并且最后会自动销毁。非Cocoa应用如果不显 式地设置run loop, 就必须显式地调用dispatch_main函数来显式地激活这个dispatch queue,否则虽然你可以添加任务到queue,但任务永远不会被执行。

2> 调用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程的dispatch queue,添加到这个queue的任务由主线程串行化执行

3> 代码实现,比如异步下载图片后,回到主线程显示图片

[java] view plaincopy

  1. // 异步下载图片  
  2. dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
  3.     NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg"];  
  4.     UIImage *image = [UIImage imageWithData:[NSData dataWithContentsOfURL:url]];  
  5.       
  6.     // 回到主线程显示图片  
  7.     dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{  
  8.         self.imageView.image = image;  
  9.     });  
  10. });  


4.任务中使用Objective-C对象

GCD支持Cocoa内存管理机制,因此可以在提交到queue的 block中自由地使用Objective-C对象。每个dispatch queue维护自己的autorelease pool确保释放autorelease对象,但是queue不保证这些对象实际释放的时间。如果应用消耗大量内存,并且创建大量autorelease 对象,你需要创建自己的autorelease pool,用来及时地释放不再使用的对象。
 

五、暂停和继续queue

我们可以使用dispatch_suspend函数暂 停一个queue以阻止它执行block对象;使用dispatch_resume函数继续dispatch queue。调用dispatch_suspend会增加queue的引用计数,调用dispatch_resume则减少queue的引用计数。当引用 计数大于0时,queue就保持挂起状态。因此你必须对应地调用suspend和resume函数。挂起和继续是异步的,而且只在执行block之间(比 如在执行一个新的block之前或之后)生效。挂起一个queue不会导致正在执行的block停止。

六、Dispatch Group的使用

假设有这样一个需求:从网络上下载两张不同的图片,然后显示到不同的UIImageView上去,一般可以这样实现

[java] view plaincopy

  1. // 根据url获取UIImage  
  2. - (UIImage *)imageWithURLString:(NSString *)urlString {  
  3.     NSURL *url = [NSURL URLWithString:urlString];  
  4.     NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];  
  5.     return [UIImage imageWithData:data];  
  6. }  
  7.   
  8. - (void)downloadImages {  
  9.     // 异步下载图片  
  10.     dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
  11.         // 下载第一张图片  
  12.         NSString *url1 = @"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg";  
  13.         UIImage *image1 = [self imageWithURLString:url1];  
  14.           
  15.         // 下载第二张图片  
  16.         NSString *url2 = @"http://hiphotos.baidu.com/lvpics/pic/item/3a86813d1fa41768bba16746.jpg";  
  17.         UIImage *image2 = [self imageWithURLString:url2];  
  18.           
  19.         // 回到主线程显示图片  
  20.         dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{  
  21.             self.imageView1.image = image1;  
  22.               
  23.             self.imageView2.image = image2;  
  24.         });  
  25.     });  
  26. }  

虽然这种方案 可以解决问题,但其实两张图片的下载过程并不需要按顺序执行,并发执行它们可以提高执行速度。有个注意点就是必须等两张图片都下载完毕后才能回到主线程显 示图片。Dispatch Group能够在这种情况下帮我们提升性能。下面先看看Dispatch Group的用处:

我们可以使用dispatch_group_async函数将多个 任务关联到一个Dispatch Group和相应的queue中,group会并发地同时执行这些任务。而且Dispatch Group可以用来阻塞一个线程, 直到group关联的所有的任务完成执行。有时候你必须等待任务完成的结果,然后才能继续后面的处理。

下面用Dispatch Group优化上面的代码:


[java] view plaincopy

  1. // 根据url获取UIImage  
  2. - (UIImage *)imageWithURLString:(NSString *)urlString {  
  3.     NSURL *url = [NSURL URLWithString:urlString];  
  4.     NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];  
  5.     // 这里并没有自动释放UIImage对象  
  6.     return [[UIImage alloc] initWithData:data];  
  7. }  
  8.   
  9. - (void)downloadImages {  
  10.     dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  
  11.       
  12.     // 异步下载图片  
  13.     dispatch_async(queue, ^{  
  14.         // 创建一个组  
  15.         dispatch_group_t group = dispatch_group_create();  
  16.           
  17.         __block UIImage *image1 = nil;  
  18.         __block UIImage *image2 = nil;  
  19.           
  20.         // 关联一个任务到group  
  21.         dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
  22.             // 下载第一张图片  
  23.             NSString *url1 = @"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg";  
  24.             image1 = [self imageWithURLString:url1];  
  25.         });  
  26.           
  27.         // 关联一个任务到group  
  28.         dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
  29.             // 下载第一张图片  
  30.             NSString *url2 = @"http://hiphotos.baidu.com/lvpics/pic/item/3a86813d1fa41768bba16746.jpg";  
  31.             image2 = [self imageWithURLString:url2];  
  32.         });  
  33.           
  34.         // 等待组中的任务执行完毕,回到主线程执行block回调  
  35.         dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{  
  36.             self.imageView1.image = image1;  
  37.             self.imageView2.image = image2;  
  38.               
  39.             // 千万不要在异步线程中自动释放UIImage,因为当异步线程结束,异步线程的自动释放池也会被销毁,那么UIImage也会被销毁  
  40.               
  41.             // 在这里释放图片资源  
  42.             [image1 release];  
  43.             [image2 release];  
  44.         });  
  45.           
  46.         // 释放group  
  47.         dispatch_release(group);  
  48.     });  
  49. }  

dispatch_group_notify函数用来指定一个额外的block,该block将在group中所有任务完成后执行

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