iOS 多线程（3）- NSOperation

1.简介

NSOperation是基于GCD之上的更高一层封装，NSOperation需要配合NSOperationQueue来实现多线程。各个操作之间有依赖关系、操作需要取消暂停、并发管理、控制操作之间优先级，限制同时能执行的线程数量.让线程在某时刻停止/继续等。

  • 注意：NSOperation是个抽象类，实际运用时中需要使用它的子类，有三种方式：
    1）.使用子类NSInvocationOperation。
    2）.使用子类NSBlockOperation。
    3）.定义继承自NSOperation的子类，通过实现内部相应的方法来封装任务。

2.NSOperation的三个子类

2.1 NSInvocationOperation

话不多说，直接上代码

- (void)testNSInvocationOperation {
    // 创建NSInvocationOperation
    NSInvocationOperation *invocationOperation = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(invocationOperation) object:nil];
    // 开始执行操作
    [invocationOperation start];
}

- (void)invocationOperation {
    NSLog(@"NSInvocationOperation包含的任务，没有加入队列========%@", [NSThread currentThread]);
}
//打印结果
NSInvocationOperation包含的任务，没有加入队列========{number = 1, name = main}
  • 结论：程序在主线程执行，没有开启新线程。

2.2 NSBlockOperation

- (void)testNSBlockOperation {
    // 把任务放到block中
    NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"NSBlockOperation包含的任务，没有加入队列========%@", [NSThread currentThread]);
    }];

    [blockOperation start];
}
//打印
NSBlockOperation包含的任务，没有加入队列========{number = 1, name = main}
  • 结论：主线程执行，没有开启新线程。
    NSBlockOperation通过addExecutionBlock这个方法可以让NSBlockOperation实现多线程。
- (void)testNSBlockOperationExecution {
    NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"NSBlockOperation运用addExecutionBlock主任务========%@", [NSThread currentThread]);
    }];

    [blockOperation addExecutionBlock:^{
        NSLog(@"NSBlockOperation运用addExecutionBlock方法添加任务1========%@", [NSThread currentThread]);
    }];
    [blockOperation addExecutionBlock:^{
        NSLog(@"NSBlockOperation运用addExecutionBlock方法添加任务2========%@", [NSThread currentThread]);
    }];
    [blockOperation addExecutionBlock:^{
        NSLog(@"NSBlockOperation运用addExecutionBlock方法添加任务3========%@", [NSThread currentThread]);
    }];
    [blockOperation start];
}
//打印
NSBlockOperation运用addExecutionBlock========{number = 1, name = main}
addExecutionBlock方法添加任务1========{number = 3, name = (null)}
addExecutionBlock方法添加任务3========{number = 5, name = (null)}
addExecutionBlock方法添加任务2========{number = 4, name = (null)}
  • 结论：NSBlockOperation创建时block中的任务是在主线程执行，而运用addExecutionBlock加入的任务是在子线程执行的。

2.3自定义继承NSOperation的子类

自定义NSOperation的子类需要去重写它的main方法

/*******************"WHOperation.h"*************************/

#import @interface WHOperation : NSOperation

@end


/*******************"WHOperation.m"*************************/

#import "WHOperation.h"

@implementation WHOperation

- (void)main {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"NSOperation的子类WHOperation======%@",[NSThread currentThread]);
    }
}

@end


/*****************回到主控制器使用WHOperation**********************/

- (void)testWHOperation {
    WHOperation *operation = [[WHOperation alloc] init];
    [operation start];
}
//打印结果
SOperation的子类WHOperation======{number = 1, name = main}
NSOperation的子类WHOperation======{number = 1, name = main}
NSOperation的子类WHOperation======{number = 1, name = main}
  • 结论：主线程执行，没有开启新线程。
    通过上面的三个例子可以说明，NSOperation如果直接start，就是默认在主线程执行，不会开启多线程，如果要开启多线程如何做呢？需要配合队列NSOperationQueue来实现多线程。

2.4 NSOperationQueue

NSOperationQueue只有两种队列：
1).主队列：通过mainQueue获得，凡是放在主队列中的任务都将在主线程中执行。
2).其他队列：通过alloc init的出来的队列，非主队列同时具备了并发和串行的功能，通过设置最大并发数属性来控制任务是并发执行还是串行执行。
主队列的创建如下，主队列上的任务是在主线程执行的。

NSOperationQueue *mainQueue = [NSOperationQueue mainQueue];

其他队列（非主队列）的创建如下，加入到‘非队列’中的任务默认就是并发，开启多线程。

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
注意：
    1. 非主队列（其他队列）可以实现串行或并行。
    1. 队列NSOperationQueue有一个参数叫做最大并发数：maxConcurrentOperationCount。
  • 3.maxConcurrentOperationCount默认为-1，直接并发执行，所以加入到‘非队列’中的任务默认就是并发，开启多线程。
  • 4.当maxConcurrentOperationCount为1时，则表示不开线程，也就是串行。
  • 5.当maxConcurrentOperationCount大于1时，进行并发执行。
  • 6.系统对最大并发数有一个限制，所以即使程序员把maxConcurrentOperationCount设置的很大，系统也会自动调整。所以把最大并发数设置的很大是没有意义的。

2.5 NSOperation+ NSOperationQueue

(1)- (void)addOperation:(NSOperation *)op;
  • 需要先创建操作，再将创建好的操作加入到创建好的队列中去。
/**
 * 使用 addOperation: 将操作加入到操作队列中
 */
- (void)addOperationToQueue {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作1
    NSInvocationOperation *op1 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task1) object:nil];

    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作2
    NSInvocationOperation *op2 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task2) object:nil];

    // 使用 NSBlockOperation 创建操作3
    NSBlockOperation *op3 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op3 addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.使用 addOperation: 添加所有操作到队列中
    [queue addOperation:op1]; // [op1 start]
    [queue addOperation:op2]; // [op2 start]
    [queue addOperation:op3]; // [op3 start]
}
2.- (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block;
  • 无需先创建操作，在 block 中添加操作，直接将包含操作的 block 加入到队列中。
/**
 * 使用 addOperationWithBlock: 将操作加入到操作队列中
 */

- (void)addOperationWithBlockToQueue {
    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.使用 addOperationWithBlock: 添加操作到队列中
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

2.6 NSOperationQueue 控制串行执行、并发执行

NSOperationQueue 创建的自定义队列同时具有串行、并发功能，上边我们演示了并发功能，那么他的串行功能是如何实现的？

这里有个关键属性 maxConcurrentOperationCount，叫做最大并发操作数。用来控制一个特定队列中可以有多少个操作同时参与并发执行。

  • 注意：这里 maxConcurrentOperationCount 控制的不是并发线程的数量，而是一个队列中同时能并发执行的最大操作数。而且一个操作也并非只能在一个线程中运行。
  • 最大并发操作数：maxConcurrentOperationCount
    1). maxConcurrentOperationCount 默认情况下为-1，表示不进行限制，可进行并发执行。
    2).maxConcurrentOperationCount 为1时，队列为串行队列。只能串行执行。
    3).maxConcurrentOperationCount 大于1时，队列为并发队列。操作并发执行，当然这个值不应超过系统限制，即使自己设置一个很大的值，系统也会自动调整为 min{自己设定的值，系统设定的默认最大值}。
/**
 * 设置 MaxConcurrentOperationCount（最大并发操作数）
 */
- (void)setMaxConcurrentOperationCount {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.设置最大并发操作数
    queue.maxConcurrentOperationCount = 1; // 串行队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 2; // 并发队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 8; // 并发队列

    // 3.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

2.7 NSOperation 操作依赖

    • (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
    • (void)removeDependency:(NSOperation *)op; 移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
  • @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。
/**
 * 操作依赖
 * 使用方法：addDependency:
 */
- (void)addDependency {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.添加依赖
    [op2 addDependency:op1]; // 让op2 依赖于 op1，则先执行op1，在执行op2

    // 4.添加操作到队列中
    [queue addOperation:op1];
    [queue addOperation:op2];
}

2.8 NSOperation 优先级

NSOperation 提供了queuePriority（优先级）属性，queuePriority属性适用于同一操作队列中的操作，不适用于不同操作队列中的操作。默认情况下，所有新创建的操作对象优先级都是NSOperationQueuePriorityNormal。但是我们可以通过setQueuePriority:方法来改变当前操作在同一队列中的执行优先级。

// 优先级的取值
typedef NS_ENUM(NSInteger, NSOperationQueuePriority) {
    NSOperationQueuePriorityVeryLow = -8L,
    NSOperationQueuePriorityLow = -4L,
    NSOperationQueuePriorityNormal = 0,
    NSOperationQueuePriorityHigh = 4,
    NSOperationQueuePriorityVeryHigh = 8
};

2.9 NSOperation、NSOperationQueue 线程间的通信

在 iOS 开发过程中，我们一般在主线程里边进行 UI 刷新，例如：点击、滚动、拖拽等事件。我们通常把一些耗时的操作放在其他线程，比如说图片下载、文件上传等耗时操作。而当我们有时候在其他线程完成了耗时操作时，需要回到主线程，那么就用到了线程之间的通讯。

/**
 * 线程间通信
 */
- (void)communication {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc]init];

    // 2.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        // 异步进行耗时操作
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }

        // 回到主线程
        [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
            // 进行一些 UI 刷新等操作
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
                NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
            }
        }];
    }];
}

2.10 NSOperation、NSOperationQueue 线程同步和线程安全

线程安全解决方案：可以给线程加锁，在一个线程执行该操作的时候，不允许其他线程进行操作。iOS 实现线程加锁有很多种方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各种方式。这里我们使用 NSLock 对象来解决线程同步问题。NSLock 对象可以通过进入锁时调用 lock 方法，解锁时调用 unlock 方法来保证线程安全。

/**
 * 线程安全：使用 NSLock 加锁
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
 */

- (void)initTicketStatusSave {
    NSLog(@"currentThread---%@",[NSThread currentThread]); // 打印当前线程

    self.ticketSurplusCount = 50;

    self.lock = [[NSLock alloc] init];  // 初始化 NSLock 对象

    // 1.创建 queue1,queue1 代表北京火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue1 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue1.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 2.创建 queue2,queue2 代表上海火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue2 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue2.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 3.创建卖票操作 op1
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [self saleTicketSafe];
    }];

    // 4.创建卖票操作 op2
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [self saleTicketSafe];
    }];

    // 5.添加操作，开始卖票
    [queue1 addOperation:op1];
    [queue2 addOperation:op2];
}

/**
 * 售卖火车票(线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {

        // 加锁
        [self.lock lock];

        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            //如果还有票，继续售卖
            self.ticketSurplusCount--;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%d 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        }

        // 解锁
        [self.lock unlock];

        if (self.ticketSurplusCount <= 0) {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

2.11 NSOperation、NSOperationQueue 常用API

  • (void)cancel; 可取消操作，实质是标记 isCancelled 状态。
  • (BOOL)isFinished; 判断操作是否已经结束。
  • (BOOL)isCancelled; 判断操作是否已经标记为取消。
  • (BOOL)isExecuting; 判断操作是否正在在运行。
  • (BOOL)isReady; 判断操作是否处于准备就绪状态，这个值和操作的依赖关系相关。
  • (void)waitUntilFinished; 阻塞当前线程，直到该操作结束。可用于线程执行顺序的同步。
  • (void)setCompletionBlock:(void (^)(void))block; completionBlock 会在当前操作执行完毕时执行 completionBlock。
  • (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
  • (void)removeDependency:(NSOperation *)op; 移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
    @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。
  • (void)cancelAllOperations; 可以取消队列的所有操作。
  • (BOOL)isSuspended; 判断队列是否处于暂停状态。 YES 为暂停状态，NO 为恢复状态。
  • (void)setSuspended:(BOOL)b; 可设置操作的暂停和恢复，YES 代表暂停队列，NO 代表恢复队列。
  • (void)waitUntilAllOperationsAreFinished; 阻塞当前线程，直到队列中的操作全部执行完毕。
  • (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block; 向队列中添加一个 NSBlockOperation 类型操作对象。
  • (void)addOperations:(NSArray *)ops waitUntilFinished:(BOOL)wait; 向队列中添加操作数组，wait 标志是否阻塞当前线程直到所有操作结束
  • (NSArray *)operations; 当前在队列中的操作数组（某个操作执行结束后会自动从这个数组清除）。
  • (NSUInteger)operationCount; 当前队列中的操作数。
  • (id)currentQueue; 获取当前队列，如果当前线程不是在 NSOperationQueue 上运行则返回 nil。
  • (id)mainQueue; 获取主队列。
  • 注意：
    1).这里的暂停和取消（包括操作的取消和队列的取消）并不代表可以将当前的操作立即取消，而是当当前的操作执行完毕之后不再执行新的操作。
    2).暂停和取消的区别就在于：暂停操作之后还可以恢复操作，继续向下执行；而取消操作之后，所有的操作就清空了，无法再接着执行剩下的操作。
  • 参考链接：
    1.iOS 多线程：『NSOperation、NSOperationQueue』详尽总结。
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