最淺顯易懂的iOS多線程技術 - GCD的教程

FZKDel 7年前發布 | 9K 次閱讀 iOS開發移動開發

筆者勵志打造一篇淺顯易懂地介紹iOS中GCD的文章！

筆者見過很多其他講解GCD的博客，有些寫得非常詳細非常專業，幾乎涵蓋了GCD大大小小的全部知識，細致龐雜的內容容易讓人摸不清主次，筆者覺得這類文章 并不適合初學者學習 ，于是決定寫一篇針對一些只是聽過，但是對GCD還不了解的童鞋們。

本文排除了一些細枝末節，擾亂人頭緒的東西，著重講解了GCD中重要的知識點，并在最后展示了GCD中 經常使用的函數 并附上結果圖和講解，簡單明了。

進程與線程

在了解多線程之前，需要弄清進程和線程的概念和他們之間的區別。

進程：

系統中正在運行的一個程序，進程之間是相互獨立的，每個進程都有屬于自己的內存空間。比如手機中的微信應用和 印象筆記 應用，他們都是iOS系統中獨立的進程，有著自己的內存空間。

線程：

進程內部執行任務所需要的執行路徑。進程若想執行任務，則必須得在線程下執行。也就是說進程至少有一個線程才能執行任務。但是，我們使用軟件的時候，很少有只讓它做一件事的時候：

舉個 印象筆記 的:chestnut: ：當你正在編輯一則筆記的時候點擊了同步按鈕，那么編輯任務（線程）和同步任務（線程）一定是不能按照順序執行的。因為同步任務的完成時間是不可控的，如果在同步的過程中無法進行別的任務（線程）那就太糟糕了！

因此，我們需要讓一些任務可以同時進行。既然任務是在線程上執行的，那么多任務的執行就意味著需要多線程的開啟和使用。

來一張圖直觀地展示一下內存，進程和線程的關系：

內存，進程和線程

多線程概述

多線程的實現原理：雖然在同一時刻，CPU只能處理1條線程，但是CPU可以快速地在多條線程之間調度（切換），造成了多線程并發執行的假象。

1. 多線程的優點

能適當提高程序的執行效率。
能適當提高資源利用率（CPU、內存利用率）。

2. 多線程的缺點

創建線程是需要成本的：iOS下主要成本包括：在棧空間的子線程512KB、主線程1MB，創建線程大約需要90毫秒的創建時間。
線程越多，CPU在調度線程上的開銷就越大。
線程越多，程序設計就越復雜：因為要考慮到線程之間的通信，多線程的數據共享。

多線程在iOS開發中的應用

1. iOS的主線程

一個iOS程序運行后，默認會開啟1條線程，稱為“主線程”或“UI線程”

主線程的作用:

顯示\刷新UI界面
處理UI事件（比如點擊事件、滾動事件、拖拽事件等）

主線程的使用 注意事項 :

不能把比較耗時的操作放到主線程中，，嚴重影響UI的流暢度，給用戶一種程序“卡頓”的體驗。

因此，要將耗時的操作放在子線程中異步執行。這樣一來，及時開始執行了耗時的操作，也不會影響主線程中UI交互的體驗。

2. iOS的子線程

子線程是異步執行的，不影響主線程。在iOS開發中，我們需要將耗時的任務（網絡請求，復雜的運算）放在子線程進行，不讓其影響UI的交互體驗。

3. 多線程安全

當多個線程訪問同一塊資源時，很容易引發數據錯亂和數據安全問題。就好比好幾個人在同時修改同一個表格，造成數據的錯亂。

3.1 資源搶奪的解決方案

我們需要給數據添加 互斥鎖 。也就是說，當某線程訪問一個數據之前就要給數據加鎖，讓其不被其他的線程所修改。就好比一個人修改表格的時候給表格設置了密碼，那么其他人就無法訪問文件了。當他修改文件之后，再講密碼撤銷，第二個人就可以訪問該文件了。

注意：

這里的線程都為子線程，如果給數據加了鎖，就等于將這些異步的子線程變成同步的了，這也叫做線程同步技術。

3.2 互斥鎖使用：

@synchronized(鎖對象) { // 需要鎖定的代碼  };

3.3 互斥鎖的優缺點

優點：能有效防止因多線程搶奪資源造成的數據安全問題

缺點：需要消耗大量的CPU資源

互斥鎖的使用前提：多條線程搶奪同一塊資源的時候使用。

3.4互斥鎖在iOS開發中的使用

OC在定義屬性時有 nonatomic 和 atomic 兩種選擇

atomic：原子屬性，為setter方法加鎖（默認就是atomic）
nonatomic：非原子屬性，不會為setter方法加鎖

3.5 nonatomic和atomic對比

atomic：線程安全，需要消耗大量的資源

nonatomic：非線程安全，適合內存小的移動設備

建議：

所有屬性都聲明為nonatomic，盡量避免多線程搶奪同一塊資源，將加鎖、資源搶奪的業務邏輯交給服務器端處理，減小移動客戶端的壓力。

多線程在iOS中的應用：GCD

GCD，全稱為 Grand Central Dispatch ，是iOS用來管理線程的技術。純C語言，提供了非常多強大的函數。

1. GCD的優勢

GCD會自動利用更多的CPU內核（比如雙核、四核）。

GCD會自動管理線程的生命周期（創建線程、調度任務、銷毀線程）。

程序員只需要告訴GCD想要執行什么任務，不需要編寫任何線程管理代碼。

2. 為什么要用GCD？

為了要提高軟件性能，應該異步執行耗時任務(加載圖片)，以防止影響主線程任務的執行(UI相應)。

舉個:chestnut: ：

從網絡加載一張圖片，如果將此任務放到主線程，那么在下載完成的時間里，軟件是無法相應用戶的任何操作的。特別地，如果當前是在可以滾動的頁面，就會造成無法滾動這種體驗非常糟的情況。

所以：應該將網絡加載放在異步執行，執行成功后，再回到主線程顯示加載后的圖片(詳細做法馬上就會講到)。

3. GCD的使用步驟

由開發者定制將要執行的任務。
將任務添加到隊列中，GCD會自動將隊列中的任務取出，放到對應的線程中執行。

注意：

任務的取出遵循隊列的FIFO原則：先進先出，后進后出。

4. 什么是隊列？

隊列是用來存放任務的，由GCD將這些任務從隊列中取出并放到相應的線程中執行。

GCD的隊列可以分為2大類型：

1. 并發隊列（Concurrent Dispatch Queue）

可以讓多個任務并發（同時）執行（自動開啟多個線程同時執行任務），并發功能只有在異步（dispatch_async）函數下才有效

2. 串行隊列（Serial Dispatch Queue）

讓任務一個接著一個地執行（一個任務執行完畢后，再執行下一個任務）。

那么隊列和線程又有什么區別？

簡單來說，隊列就是用來存放任務的“暫存區”，而線程是執行任務的路徑，GCD將這些存在于隊列的任務取出來放到相應的線程上去執行，而隊列的性質決定了在其中的任務在哪種線程上執行。

下面由一張圖來直觀地展示任務，隊列和線程的關系：

任務，隊列和線程

在這里，我們可以看到，放入串行隊列的任務會一個一個地執行。而放入并行隊列的任務，會在多個線程并發地執行。

5. 隊列的創建

5.1 串行隊列的創建：

GCD中獲得串行有2種途徑：

1.使用 dispatch_queue_create 函數創建串行隊列

// 創建串行隊列（隊列類型傳遞NULL或者DISPATCH_QUEUE_SERIAL）
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("serial_queue", NULL);

2.使用主隊列（跟主線程相關聯的隊列）

主隊列是GCD自帶的一種特殊的串行隊列：放在主隊列中的任務，都會放到主線程中執行。

可以使用dispatch_get_main_queue()獲得系統提供的主隊列：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();

5.2 并發隊列的創建：

1.使用 dispatch_queue_create 函數創建并發隊列。

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

2.使用 dispatch_get_global_queue 獲得全局并發隊列。

GCD默認已經提供了全局的并發隊列，供整個應用使用，可以無需手動創建。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

6. GCD的幾種重要的應用

6.1 子線程與主線程的通信

需求點:我們有時需要在子線程處理一個耗時比較長的任務，而且此任務完成后，要在主線程執行另一個任務。

例子：從網絡加載圖片（在子線程），加載完成就更新UIView（在主線程）。

為了實現這個需求，我們需要首先拿到全局并發隊列（或自己開啟一個子線程）來執行耗時的操作，然后在其完成block中拿到全局串行隊列來執行UI刷新的任務。

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

              //加載圖片
              NSData *dataFromURL = [NSData dataWithContentsOfURL:imageURL];
              UIImage *imageFromData = [UIImage imageWithData:dataFromURL];

      dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{

              //加載完成更新view
              UIImageView *imageView = [[UIImageView alloc] initWithImage:imageFromData];          
      });      
  });

以筆者的拙見，除了復雜的算法，網絡請求以外，大多數 dataWithContentsOf。。。函數可能也會比較耗時，所以以后遇到與NSData交互的操作時，盡量將其放在子線程執行。

6.2 dispatch_once

需求點：用于在程序啟動到終止，只執行一次的代碼。此代碼被執行后，相當于自身全部被加上了注釋，不會再執行了。

為了實現這個需求，我們需要使用 dispatch_once 讓代碼在運行一次后即刻被“雪藏”。

//使用dispatch_once函數能保證某段代碼在程序運行過程中只被執行1次

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    // 只執行1次的代碼，這里默認是線程安全的：不會有其他線程可以訪問到這里
});

6.3 dispatch_group

需求點：執行多個耗時的異步任務，但是只能等到這些任務都執行完畢后，才能在主線程執行某個任務。

為了實現這個需求，我們需要讓將這些異步執行的操作放在 dispatch_group_async 函數中執行，最后再調用 dispatch_group_notify 來執行最后執行的任務。

dispatch_group_t group =  dispatch_group_create();
  dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      // 執行1個耗時的異步操作
  });

  dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      // 執行1個耗時的異步操作
  });

  dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
      // 等前面的異步操作都執行完畢后，回到主線程...
  });

讓我們看一下示例代碼和運行結果：

示例代碼：

為了使對比明顯，筆者多開了幾條線程，這樣更容易看清問題。

dispatch_group_t group =  dispatch_group_create();    
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

        // 執行1個耗時的異步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 10000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務1");                
    });

    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

        // 執行1個耗時的異步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 20000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務2");        
    });

    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

        // 執行1個耗時的異步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 200000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務3");

    });

    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

        // 執行1個耗時的異步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 400000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務4");

    });

    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

        // 執行1個耗時的異步操作
        for (NSInteger index = 0; index < 1000000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務5");

    });

    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{

        // 等前面的異步操作都執行完畢后，回到主線程...
        NSLog(@"都完成了");        
    });

運行結果:

dispatch_group 的使用運行結果

從三次運行的結果來看:

異步執行的任務1-5的最終完成時間是與其自身完成任務所需要的時間并無絕對關聯。因為任務5是最耗時的，它在第一次運行結果里并不是最后才完成的。任務1是最不耗時的，但是它在第二次運行結果里也不是最先完成的。
異步執行的任務1-5無論完成順序如何，只有當他們都完成后才會調用主線程的打印“都完成了”。

6.4 dispatch_barrier

需求點：雖然我們有時要執行幾個不同的異步任務，但是我們還是要將其分成兩組：當第一組異步任務都執行完成后才執行第二組的異步任務。這里的組可以包含一個任務，也可以包含多個任務。

為了實現這個需求，我們需要使用 dispatch_barrier_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block); 在兩組任務之間形成“柵欄”，使其“下方”的異步任務在其“上方”的異步任務都完成之前是無法執行的。

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("12312312", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任務 1-----");
    });

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任務 2-----");
    });    

    dispatch_barrier_async(queue, ^{
        NSLog(@"----barrier-----");
    });

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任務 3-----");
    });

    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"----任務 4-----");
    });

示例代碼：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("12312312", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 10000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務1");

    });

    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 20000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務2");

    });

    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 200000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務3");

    });


    dispatch_barrier_async(queue, ^{        
        NSLog(@"--------我是分割線--------");        
    });


    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 400000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務4");

    });

    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 1000000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務5");

    });

    dispatch_async(queue, ^{

        for (NSInteger index = 0; index < 1000; index ++) {
        }
        NSLog(@"完成了任務6");

    });

運行結果：

dispatch_barrier 的使用運行結果

從這三次運行結果來看:

無論任務1-3內部的執行順序如何，只有當三者都完成了才會執行任務4-6。
1-3內部的執行順序和4-6內部的完成順序都是不可控的，同上一個知識點類似。

本文介紹了需要了解GCD所需的最重要的知識，因為怕打斷讀者思路，并沒有涵蓋所有細節。

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