Objective-C高级编程-GCD部分

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。

GCD的简单使用

dispatch_async(queue, ^{
    
    /*
     * 想在后台处理的事务，如数据库访问，大量的计算等
     */
     
     dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
         
         /*
          * 在主线程执行的事务，如界面更新
          */
     });
});

这里dispatch_async的作用就是讲开发者定义的想执行的任务追加到适当的Dispatch Queue中。

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

其中需要传入两个参数，第一个是Dispatch Queue，第二个是Block变量。

这里dispatch_async将任务异步的追加到Dispatch Queue中，Dispatch Queue会按照FIFO的顺序执行处理。

这里Dispatch Queue有两种

简单来讲如果使用Serial Dispatch Queue来处理事务，事务的处理顺序会按照加入的顺序执行。

如果使用Concurrent Dispatch Queue来处理事务，则后面添加的事务不会等待前面的事务执行完成后才执行，也就是不保证事务的处理顺序是加入的顺序。加入的事务是并行处理，但并行处理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。

获取Dispatch_Queue

1. dispatch_queue_create函数

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("MySerialDispatchQueue", NULL);

第一个参数是名称，可以方便调试。

第二个参数可以指定获取的是Serial Dispatch Queue还是Concurrent Dispatch Queue，参数为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT或者DISPATCH_QUEUE_SERIAL。

通过dispatch_queue_create创建的Dispatch Queue在使用结束后必须通过dispatch_release函数释放。这里对应的还有dispatch_retain函数，即Dispatch Queue也像Objective-C的引用计数式内存管理一样，需要通过dispatch_retain函数和dispatch_release函数的引用计数来管理内存。

使用时可以在使用完dispatch_async函数之后立即使用dispatch_release函数进行释放，因为实际上传入dispatch_async函数的Block语法强持有了queue对象，所以不用担心在调用了dispatch_release函数后导致queue被废弃。

2. Main Dispatch Queue/Global Dispatch Queue

Main Dispatch Queue获取主线程执行的Dispatch Queue。

Global Dispatch Queue获取所有应用程序都能够使用的Concurrent Dispatch Queue，它有4个优先级，分别是高、默认、低和后台，执行优先级只是大致的判断，并不能保证实时性。

各种Dispatch Queue获取方法如下：

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

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

这里其他几个优先级对应的参数为DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT、DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW、DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND。

关于GCD中注意的问题

数据竞争

如多个线程要修改同一个变量或者文件，最好将这些操作放在同一个Serial Dispatch Queue来执行，但比如读取操作就可以并行执行。

可能会用到的API

1. Serial Dispatch Queue

使用该queue可以有效避免数据竞争问题。

2. Dispatch Group

该API会将追加到Dispatch Group中的多个处理全部执行完成后执行结束处理。

3. dispatch_barrier_async函数

在访问数据库或文件时，想在多个读取操作后，进行一次写入操作，然后再执行多个读取操作，可以使用该函数，简化代码的逻辑。

//获取一个Concurrent Dispatch Queue
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);
//并行执行多个读操作
dispatch_async(queue, blk0_for_reading);
dispatch_async(queue, blk1_for_reading);
dispatch_async(queue, blk2_for_reading);
dispatch_async(queue, blk3_for_reading);
//这一步会等待上面的所有并行任务执行完毕才会执行
dispatch_barrier_async(queue, blk_for_writing);
//写操作执行完毕后，继续并行执行剩下的读操作
dispatch_async(queue, blk4_for_reading);
dispatch_async(queue, blk5_for_reading);
dispatch_async(queue, blk6_for_reading);
dispatch_async(queue, blk7_for_reading);

死锁

使用dispatch_sync可能会导致死锁，如下代码是在主线程中运行的话就会导致死锁：

//在主线程中获取主线程的Dispatch Queue
dispatch_queue_t queue = disaptch_get_main_queue();
//向main dispatch queue中同步添加一个Block
dispatch_sync(queue, ^{
    NSLog(@"Heollo?");
});

这段代码导致死锁的原因是，dispatch_sync是同步追加的函数，意味着进入该函数后，需要将Block代码添加到Queue中并且执行完成后才会返回，而该函数没有返回之前，主线程就会等待在这一步，并不会执行加入到Main Dispatch Queue中的Block语句，最终导致死锁的产生。

不要使用太多线程

太多的线程会导致消耗大量的内存，在使用过程中，需要结合使用环境，当前需要处理的逻辑等来决定多线程的使用，不要滥用。

GCD的实现

这部分书中着墨不多，主要包括两个部分，一个是常用的Dispatch Queue，另一个是不太引人瞩目的Dispatch Source。

Dispatch Queue

我们可以想象，GCD的实现最基本的需要以下这些工具

• 用于管理追加的Block的C语言层实现的FIFO队列
• Atomic函数中实现的用于排他控制的轻量级信号
• 用于管理线程的C语言层实现的一些容器

而苹果的官方说明中提到

通常，应用程序中编写的线程管理用的代码要在系统级实现。

实质上，GCD的实现是在iOS和OS X的核心XNU内核级上实现的。编程人员无论如何努力编写管理线程的代码，在性能方面也不可能胜过XNU内核级所实现的GCD。

以下软件组件用于实现Dispatch Queue

其中，我们使用GCD时使用到的API全部为包含在libdispatch库中的C语言函数。

libdispatch部分

Dispatch Queue通过结构体和链表，被实现为FIFO队列，这个队列管理的是使用dispatch_async等函数时传入的Block。该Block首先被包装成disptch_continuation_t类型的结构体中，该结构体存储Block以及Block所属的Dispatch Group和一些其他的信息（通常说的执行上下文）。

Dispatch Queue可通过dispatch_set_target_queue函数来设定，可以将多个Dispatch Queue连接起来，让本来并行执行的任务变为串行执行。但连接串的最后必须设定为Main Dispatch Queue，或各种优先级的Global Dispatch Queue，或是准备用于Seiral Dispatch Queue的各种优先级的Global Dispatch Queue。

其中有8种Global Dispatch Queue：

• Global Dispatch Queue（High Priority）
• Global Dispatch Queue（Default Priority）
• Global Dispatch Queue（Low Priority）
• Global Dispatch Queue（Background Priority）
• Global Dispatch Queue（High Overcommit Priority）
• Global Dispatch Queue（Default Overcommit Priority）
• Global Dispatch Queue（Low Overcommit Priority）
• Global Dispatch Queue（Background Overcommit Priority）

其中附有Overcommit的Global Dispatch Queue使用在Serial Dispatch Queue，表示不管系统状态如何，都会强制生成线程的Dispatch Queue。

pthreads部分

上面8中Global Dispatch Queue各使用1个pthread_workqueue。GCD初始化时，使用pthread_workqueue_create_np函数生成pthread_workqueue。

pthread_workqueue包含在Libc提供的pthreads API中。其使用bsdthread_register和workq_open系统函数，在初始化XNU内核的workqueue之后获取workqueue信息。

XNU部分

XNU内核持有4中workqueue。

• WORKQUEUE_HIGH_PRIOQUEUE
• WORKQUEUE_DEFAULT_PRIOQUEUE
• WORKQUEUE_LOW_PRIOQUEUE
• WORKQUEUE_BG_PRIOQUEUE

这4个优先级与Global Dispatch Queue的4中执行优先级相同。

Dispatch Queue执行Bloack的过程

1. libdispatch从Global Dispatch Queue自身的FIFO队列中取出Dispatch Continuation，调用pthread_workqueue_additem_np函数。将该Global Dispatch Queue自身、符合其优先级的workqueue信息以及为执行Dispatch Continuation的回调函数等传递给参数。

GCD_DispatchQueue执行Block过程.png

XNU内核基于系统状态判断是否要生成线程。如果是Overcommit优先级的则始终生成线程。

workqueue生成的线程在实现用于workqueue的线程计划表中运行，所以与一般线程的上下文切换不同。这里也隐藏着使用GCD的原因。该线程虽然与iOS和OS X中通常使用的线程大致相同，但是有有一部分pthread API不能使用。可参考官方文档《并列编程指南》的”与POSIX线程的互换性“一节。

（翻译真的很烂，猜测是这样的线程生成效率高）

回调

workqueue的线程执行pthread_workqueue函数，该函数调用libdispatch的回调函数，在该回调函数中执行加入到Dispatch Continuation的Block。

Block执行结束后，进行通知Dispatch Group结束、释放Dispatch Continuation等处理，开始准备执行加入到Global Dispath Queue中的下一个Block。

小结

XNU内核系统级的实现是GCD高性能的最大的原因，由编程人员管理的线程中，想发挥出匹敌GCD的性能是不可能的。

总结

多线程编程是一种易发生各种问题的编程技术，虽然回避这些问题有许多方法，且程序都偏于复杂，但使用多线程编程的好处显而易见，保证应用程序的响应性能，而GCD大大简化了偏于复杂的多线程编程的源代码。

参考

《Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理》

并列编程指南