iOS开发——GCD的使用

Grand Central Dispatch（GCD）概要

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什么是GCD？

苹果官方这么描述的：Grand Central Dispatch（GCD）是异步执行任务的技术之一。一般将应用程序中记述的线程管理用的代码在系统级别中实现。开发者只需要定义想执行的任务并追加到适当的Dispatch Queue中，GCD就能生成必要的线程并计划执行任务。由于线程管理是作为系统的一部分来实现的，因此可统一管理，也可执行任务，这样就比以前的线程更有效率。

看一个GCD的例子：

dispatch_async(queue, ^{
  /*
   * 长时间处理，比如数据库访问等等操作
   */
   //长时间处理结束，主线程使用该处理结果
   dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
     /*
      * 只在主线程可以执行的处理
      * 比如用户界面更新
      */
   });
});

GCD的API

Dispatch Queue

开发者要做的只是定义想执行的任务并追加到适当的Dispatch Queue中。如下：

dispatch_async(queue, ^{
  //想要执行的任务
});

该源代码使用Block语法定义想执行的任务，通过dispatch_async函数“追加”赋值在变量queue的Dispatch Queue中。这样就可以使指定的Block再另一线程中执行。

Dispatch Queue是执行处理的等待队列。🐶程序员可以通过dispatch_async函数等API，在Block语法中记述想执行的处理并将其追加到Dispatch Queue中，Dispatch Queue按照追加的顺序（先进先出FIFO）执行处理。

1.png

在执行处理时有两种Dispatch Queue，一种是等待现在执行中处理的Serial Dispatch Queue，另一种是不等待现在执行中处理的Concurrent Dispatch Queue。

Dispatch �Queue 的种类 说明
Serial Dispatch Queue 等待现在执行中处理结束
Concurrent Dispatch Queue 不等待现在执行中处理结束

看一下下面这段代码：

dispatch_async(queue, blk0);
dispatch_async(queue, blk1);
dispatch_async(queue, blk2);
dispatch_async(queue, blk3);
dispatch_async(queue, blk4);
dispatch_async(queue, blk5);
dispatch_async(queue, blk6);
dispatch_async(queue, blk7);

当变量queue为Serial Dispatch Queue时，需要等待现在执行中的处理结束，所以首先执行blk0，blk0执行结束之后，接着执行blk1，blk1结束后再执行blk3，如此重复。同时执行的处理数只能有1个。所以执行改代码一定按照blk0、blk1、blk2、blk3、blk4、blk5、blk6、blk7的顺序执行。

当变量queue为Concurrent Dispatch Queue时，因为不用等待现在执行中的处理结束，所以首先执行blk0，不管blk0是否结束，都开始执行后面的blk1，不管blk1的执行是否结束，都开始执行后面的blk2，如此重复循环。虽然这样不用等待处理结束，可以并行执行多个处理，但是并行的处理数量取决于当前系统的状态。即iOS和OS X基于Dispatch Queue中的处理数、CPU核数以及CPU负荷等当前系统的状态来决定Concurrent Dispatch Queue中并行执行的处理数。并行执行就是使用多个线程执行多个处理。前面的源代码的一种执行情况：

线程0 线程1 线程2 线程3
blk0 blk1 blk2 blk3
blk4 blk6 blk5
blk7

首先blk0在线程0中开始执行，接着blk1在线程1中，blk2在线程2中、blk3在线程3中开始执行。线程0中blk0执行结束后开始执行blk4，由于线程1中blk1还没有结束，此时线程2中的blk2执行结束，线程2开始执行blk5，线程1中blk1执行结束，线程1开始执行blk6，如此重复。像这样在Concurrent Dispatch Queue中执行处理时，执行顺序会根据处理内容和系统状态发生改变。

看一下Serial Dispatch Queue、Concurrent Dispatch Queue和线程的关系：

2.png

dispatch_queue_create

这是获得Dispatch Queue的第一种方法，通过dispatch_queue_create函数可生成Dispatch Queue。看一个示例：

dispatch_queue_t mySerialDispatchQueue = dispatch_queue_create("cn.flametao.www.gcd.mySerialDispatchQueue", NULL);

dispatch_queue_create函数的第一个参数指定Dispatch Queue的名称，推荐使用应用程序ID这种逆序全程域名（FQDN，fully qualified domain name）。该名称会出现在调试过程中或程序崩溃时所产生的CrashLog中。第二个参数指定为NULL时，生成的是Serial Dispatch Queue，指定为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT时，生成的是Concurrent Dispatch Queue。像下面源代码一样：

dispatch_queue_t myConcurrentDispatchQueue = dispatch_queue_create("cn.flame.www.gcd.myConcurrentDispatchQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_queue_create返回值为表示Dispatch Queue的dispatch_queue_t类型。

现在来说一说关于生成Serial Dispatch Queue个数的注意事项，如前所述，Concurrent Dispatch Queue并行执行多个追加处理，Serial Dispatch Queue同时只能处理1个追加处理。虽然这两者都受到系统资源限制，但是dispatch_queue_create函数可生成任意多个Dispatch Queue。

当生成多个Serial Dispatch Queue时，各个Serial Dispatch Queue在一起将并行执行，虽然每一个Serial Dispatch Queue中同时只能执行一个追加处理。图示：

3.png

过多的使用多线程，就会消耗大量内存，引起大量的上下文切换，大幅降低系统的响应性能。

使用Serial Dispatch Queue避免多线程编程问题时的数据竞争问题：

4.png

Dispatch Queue没有像Block那样具有作为Objective-C对象来处理的技术，所以没办法通过ARC来自动管理内存，只能由程序员负责释放。通过dispatch_queue_create函数生成的Dispatch Queue在使用结束后通过dispatch_release函数释放。

dispatch_release(mySerialDispatchQueue);

看一下这样的代码：

dispatch_queue_t myConcurrentDispatchQueue = dispatch_queue_create("cn.flametao.www.gcd.myConcurrentDispatchQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(myConcurrentDispatchQueue, ^{NSLog(@"block on myConcurrentDispatchQueue");});
dispatch_release(myConcurrentDispatchQueue);

该源代码中，在dispatch_async函数中追加Block到Concurrent Dispatch Queue中，并立即通过dispatch_release函数进行释放是否可以呢？是没有问题的！Block通过dispatch_async函数持有Dispatch Queue。无论是Serial Dispatch Queue还是Concurrent Dispatch Queue都一样。当Block执行结束，才通过dispatch_release函数释放该Block持有的Dispatch Queue。

Main Dispatch Queue/Global Dispatch Queue

第二种方法是获得系统标准提供的Dispatch Queue。

系统为我们提供了几个Dispatch Queue，就是Main Dispatch Queue和Global Dispatch Queue。

Main Dispatch Queue顾名思义，就是在主线程中执行的Dispatch Queue。因为主线程只有一个，所以Main Dispatch Queue是Serial Dispatch Queue。追加到Main Dispatch Queue的处理在主线程的RunLoop中执行。

Global Dispatch Queue是所有应用程序都能够使用的的Concurrent Dispatch Queue。没有必要通过dispatch_queue_create函数逐个生成Concurrent Dispatch Queue，只需要获取Global Dispatch Queue使用即可。Global Dispatch Queue有4个执行优先级：

  • 高优先级（High Priority）
  • 默认优先级（Default Priority）
  • 低优先级（Low Priority）
  • 后台优先级（Background Priority）

系统提供的Dispatch Queue总结：

名称 Dispatch Queue 的种类 说明
Main Dispatch Queue Serial Dispatch Queue 主线程执行
Global Dispatch Queue(High Priority) Concurrent Dispatch Queue 执行优先级：高（最高优先）
Global Dispatch Queue(Default Priority) Concurrent Dispatch Queue 执行优先级：默认
Global Dispatch Queue(Low Priority) Concurrent Dispatch Queue 执行优先级：低
Global Dispatch Queue(Background Priority) Concurrent Dispatch Queue 执行优先级：后台

各种Dispatch Queue获取方法：

//Main Dispatch Queue
dispatch_queue_t mainDispatchQeuue = dispatch_get_main_queue();

//Global Dispatch Queue(High Priority)
dispatch_queue_t globalDispatchQueueHigh = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);

//Global Dispatch Queue(Default Priority)
dispatch_queue_t globalDispatchQueueDefault = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

//Global Dispatch Queue(Low Priority)
dispatch_queue_t globalDispatchQueueLow = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0);

//Global Dispatch Queue(Default Priority)
dispatch_queue_t globalDispatchQueueBackground = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0);

对Main Dispatch Queue和Global Dispatch Queue执行dispatch_retain函数和dispatch_release函数不会起任何作用。

dispatch_set_target_queue

dispatch_queue_create函数生成的Dispatch Queue不管是Serial Dispatch Queue还是Concurrent Dispatch Queue，都使用与默认优先级Global Dispatch Queue相同执行优先级的线程。可以通过diapatch_set_target_queue函数改变优先级。比如，在后台执行Serial Dispatch Queue：

dispatch_queue_t mySerialDispatchQueue = dispatch_queue_create("cn.flametao.www.gcd.mySerialDispatchQueue", NULL);
dispatch_queue_t globalDispatchQueueBackground = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0);
dispatch_set_target_queue(mySerialDispatchQueue, globalDispatchQueueBackground);

第一个参数为需要变更优先级的Dispatch Queue，第二个参数为参照优先级的Dispatch Queue。第一个参数不可以是Main Dispatch Queue或者是Global Dispatch Queue。

不仅仅可以改变Dispatch Queue执行优先级，还可以作为Dispatch Queue的执行层。如果在多个Serial Dispatch Queue中用dispatch_set_target_queue函数指定某一个Serial Dispatch Queue，原本应该并行执行的多个Serial Dispatch Queue，在目标Serial Dispatch Queue上只能执行一个处理。因此可以利用这个防止处理并行执行。

5.png

dispatch_after

dispatch_after函数并不是在指定时间后执行处理，而只是在指定时间追加处理到Dispatch Queue。

dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 3ull * NSEC_PER_SEC);
dispatch_after(time, dispatch_get_main_queue(), ^{
  ...
});

第一个参数是指定时间用的dispatch_time_t类型的值。该值使用dispatch_time或dispatch_walltime制成。

第二个参数是指定要追加处理的Dispatch Queue。

第三个参数是指定记述要执行处理的Block。

可以使用NSEC_PER_MSEC计算毫秒，"ull"是C语言的数值字面量，是显示表明类型时使用的字符串（表示“unsigned long long”）。

dispatch_walltime函数由POSIX种使用的struct timespec类型的时间得到dispatch_time_t类型的值。dispatch_time函数通常计算相对时间，dispatch_walltime函数用于计算绝对时间。struct timespec类型的可以通过NSDate作成：

dispatch_time_t getDispatchTimeByDate(NSDate *date) {
  NSTimeInterval interval;
  double second, subsecond;
  struct timespec time;
  dispatch_time_t milestone;
  interval = [date timeIntervalSince1970];
  subsecond = modf(interval, &second);
  time.tv_sec = second;
  time.tv_nsec = subsecond * NSEC_PER_SEC;
  milestone = dispatch_walltime(&time, 0);
  return milestone;
}

Dispatch Group

经常会遇到在追加到Dispatch Queue中的多个处理全部结束后想执行结束处理。当只有一个Serial Dispatch Queue时，追加在最后即可。但是使用Concurrent Dispatch Queue时或同时使用多个Dispatch Queue时，可以使用Dispatch Group。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk0});
dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk1});
dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk2});

dispatch_group_notify(goup, dispatch_get_main_queue(), ^{//blk3});

blk3一定是最后执行的，前面顺序由于多线程并行执行所以不确定。dispatch_group_async函数与dispatch_async函数相同，都追加Block到指定的Dispatch Queue中。dispatch_group_async函数指定生成的Dispatch Group为第一个参数，指定的Block属于指定的Dispatch Group。在追加到Dispatch Group中的处理全部执行结束时，dispatch_group_notify函数会将执行的Block追加到Dispatch Queue中。

dispatch_group_wait函数仅等待全部处理执行结束。返回值不为0就意味着虽然经过了指定的时间，但属于Dispatch Group的某个处理还在执行中。如果返回0，那么全部处理执行结束。当等待时间为DISPATCH_TIME_FOREVER必定返回0。指定为DISPATCH_TIME_NOW则不用任何等待即可判断属于Dispatch Group的处理是否执行结束。不过，推荐使用dispatch_group_notify函数追加结束处理，可以简化代码。

和之前一样，create出来的需要手动释放：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk0});
dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk1});
dispatch_group_async(group, queue, ^{//blk2});

dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
dispatch_release(group);

dispatch_barrier_async

学过《操作系统》课程的都应该知道读写者问题

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("cn.flametao.www.gcd.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_async(queue, blk0_reading);
dispatch_async(queue, blk1_reading);
dispatch_async(queue, blk2_reading);
dispatch_async(queue, blk3_reading);

dispatch_barrier_async(queue, blk_writing);

dispatch_async(queue, blk4_reading);
dispatch_async(queue, blk5_reading);
dispatch_async(queue, blk6_reading);
dispatch_async(queue, blk7_reading);

blk_writing之前的追加到Concurrent Dispatch Queue的处理全部执行完，才执行blk_writing，执行完blk_writing，在接着执行后面追加的处理。可能的执行情况：

6.png

使用Concurrent Dispatch Queue和dispatch_barrier_async函数可实现高效率的数据库访问和文件访问。

dispatch_sync

dispatch_async函数的async意味着“非同步”，就是将指定的Block“非同步”地追加到指定的Dispatch Queue中。dispatch_async不做任何等待。

dispatch_sync函数的sync意味着“同步”，也就是将制定的Block“同步”追加到指定的Dispatch Queue中。在追加的Block结束之前，dispatch_sync函数会一直等待。

同dispatch_group_wait函数说明所示，“等待”意味着当前线程停止。

学过汇编的应该知道，当主程序Call一个函数还没有返回的时候，CS、IP寄存器就没恢复到Call之前的状态，也就没办法继续主程序。dispatch_sync很容易造成死锁。

例如：在主线程中执行以下源代码就会死锁：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_sync(queue, ^{...});

该源代码想在主线程中执行指定的Block，并等待Block运行结束，而追加的Block放在了Main Dispatch Queue的最后（按照FIFO），主线程此时在等待dispatch_sync返回，而dispatch_sync在等待主线程执行完Block，从而死锁。图解：

7.png

只要dispatch_sync的追加处理的queue为当前queue（并行的除外），会产生死锁。

dispatch_apply

dispatch_apply(size_t iterations, dispatch_queue_t  _Nonnull queue, ^(size_t)block)

dispatch_apply函数是dispatch_sync和Dispatch Group的关联API。该函数按指定的次数将制定的Block追加到指定的Dispatch Queue中，并等待全部处理执行结束。第一个参数为重复次数，第二个参数为追加对象的Dispatch Queue，第三个参数为追加的处理，是一个带有参数的Block，按第一个参数重复追加Block并区分各个
Block而使用，例如对NSArray类对象的所有元素执行处理时不需要一个一个编写for循环部分。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_apply(10, queue, ^(size_t index){
    NSLog(@"%zu", index);
});
NSLog(@"done");

一种执行结果：

0
1
2
3
4
5
6
9
7
8
done

因为在Global Dispatch Queue中执行处理，所以各个处理的执行时间不定。但是输出结果“done”必定在最后位置。因为dispatch_apply函数会等待全部处理执行结束。

由于dispatch_apply函数也与dispatch_sync函数相同，会等待处理执行结束。因此推荐在dispatch_async函数中非同步执行dispatch_apply函数。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
//在Global Dispatch Queue中非同步执行
dispatch_async(queue, ^{
  //等待dispatch_apply函数中的处理全部执行结束
  dispatch_apply([array count], queue, ^(size_t index){
    //并列处理包含在NSArray对象的全部对象
    NSLog(@"%zu: %@", index, [array objectAtIndex]);
  });
  //dispatch_apply中的处理全部执行结束
  //在Mian Dispatch Queue中非同步执行
  dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
    //...
  });
});

dispatch_suspend/dispatch_resume

dispatch_suspend函数挂起指定的Dispatch Queue

dispatch_suspend(queue);

dispatch_resume函数恢复指定的Dispatch Queue

dispatch_resume(queue);

这些函数对已经执行的处理没有影响，挂起后，追加到Dispatch Queue中尚未执行的处理在此之后停止执行直到恢复。

Dispatch Semaphore

和操作系统中的信号量机制类似，解决多线程中的数据不一致问题。之前说的Serial Dispatch Queue和dispatch_barrier_async也可简单解决这个问题，但有必要进行更细的排他控制。

Dispatch Semaphore是持有计数的信号，该计数是多线程编程中的计数类型信号。计数为0是等待，计数大于0时，减去1而不等待。

dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);

参数表示计数的初始值（效果等同同时访问的线程数量）。通前面一样“create”出来的必须通过dispatch_release释放。

dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

dispatch_semaphore_wait函数等待Dispatch Semaphore的技术支持大于等于1。当计数值大于等于1，或者在待机中计数值大于等于1时，对该计数进行减法并从dispatch_semaphore_wait函数返回。第二个参数通dispatch_group_wait函数相同，有dispatch_time_t类型值指定等待时间。

dispathc_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1ull * NSEC_PER_SEC);
long result = dispatch_semaphore_wait(semaphore, time);
if (result == 0) {
  /*
   * 由于Dispatch Semaphore的计数值达到大于或等于1
   * 或者在待机中的指定时间内计数值达到大于或等于1
   * 所以Dispatch Semaphore的计数值减去1
   * 可安全的执行需要进行排他控制的处理
   */
} else {
  /*
   * 由于 Dispatch Semaphore 的计数值为0
   * 因此在达到指定时间为止待机
   */
}

处理结束时通过dispatch_semaphore_signal函数将Dispatch Semaphore的计数加1。

dispatch_once

dispatch_once函数保证在应用程序执行中只执行一次指定处理的API。举个初始化的例子

static int once = NO;
if (once == NO) {
  // 初始化
  once == YES;
}
// 如果使用dispatch_once，则为：
static dispatch_once_t once;
dispatch_once(&once, ^{
  // 初始化
});

两者看起来没多大区别，但是通过dispatch_once函数使在多线程环境中也可保证百分百安全。
注：参考书籍《Objective-C高级编程》

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