iOS多线程之Operation Queues

iOS中常见的实现多线程并发的有三种方式，NSThread，NSOperation和GCD。Operation Queues实现并发的主要方式是通过NSOperation&NSOperationQueue实现，主要分以下三步，本文的主要结构也大致是如下结构。

• 实例化NSOperation子类，绑定执行操作
• 创建NSOperationQueue，将NSOperation实例添加进来
• 系统自动将NSOperationQueue队列中检测取出和执行NSOperation操作

NSOperation

NSOperation实例我们称之为操作对象，操作对象可以将需要执行的代码和相关数据集成并封装。操作对象通常不直接执行，而是它加入到操作队列中按顺序调用。同时操作对象也可以直接调用start方法来执行任务，但为了能并行执行任务，标准做法是在start内创建线程。
NSOperation本身是抽象基类，因此必须使用它的子类，使用NSOperation子类的方式有2种：

• 使用系统提供的两个具体子类: NSInvocationOperation和NSBlockOperation
• 自定义子类继承NSOperation，实现内部相应的方法

NSInvocationOperation

通过object & selector 非常方便地创建一个NSInvocationOperation，我们已经有了一个现成的方法，而方法

NSInvocationOperation *invocationOperation=[[NSInvocationOperation alloc]initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];

NSBlockOperation

使用子类NSBlockOperation，通过使用NSBlockOperation来执行一个或多个block，只有当一个NSBlockOperation所关联的所有block都执行完毕时候，这个NSBlockOperation才算完成，有点类似于dispatch_group概念。从上面打印结果看到在多个线程执行任务。addExecutionBlock:可以为NSBlockOperation添加额外的操作。如果当前NSOperation的任务只有一个的话，那肯定不会开辟一个新的线程，只能同步执行。只有NSOperation的任务数>1的时候，这些额外的操作才有可能在其他线程并发执行。

- (void)runInvocationOp{
    NSBlockOperation *op = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
    }];
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        [op addExecutionBlock:^{
            NSLog(@"%d------%@", i,[NSThread currentThread]);
        }];
    }
    
    [op start];
}

执行结果如下

2017-05-10 18:40:04.642 JQMultiThread[19102:1441939] ------{number = 1, name = main}
2017-05-10 18:40:04.643 JQMultiThread[19102:1441939] 1------{number = 1, name = main}
2017-05-10 18:40:04.643 JQMultiThread[19102:1441939] 2------{number = 1, name = main}
2017-05-10 18:40:04.644 JQMultiThread[19102:1441939] 4------{number = 1, name = main}
2017-05-10 18:40:04.644 JQMultiThread[19102:1442083] 3------{number = 3, name = (null)}
2017-05-10 18:40:04.644 JQMultiThread[19102:1442071] 0------{number = 4, name = (null)}

自定义NSOperation

通常来说，我们都是通过将operation添加到operation queue来执行operation的，但这并不是必须的，可以通过start方法执行一个operation，但是这种方式是无法保证异步执行的。当系统定义的两个子类NSInvocationOperation和NSBlockOperation不能很好的满足我们的需求时，我们可以自动移自己的NSOperation类，我们可以定义非并发和并发两种不同类型的NSOperation子类，定义非并发要比并发简单得多。
系统预定义的两个子类 NSInvocationOperation 和 NSBlockOperation 不能很好的满足我们的需求时，我们可以自定义自己的 NSOperation 子类，添加我们想要的功能。我们可以自定义非并发和并发两种不同类型的 NSOperation 子类，而自定义一个前者要比后者简单得多。

• 定义继承自NSOperation的子类，通过实现内部相应的方法来创建任务。

非并发的NSOperation子类

最低限度来说，实现非并发NSOperation子类需要实现两个初始化方法

• 自定义初始化方法
• main方法

引用官方文档的例子如下

- (id)initWithURL:(NSURL *)url scanCount:(NSInteger)scanCount
{
    self = [super init];
    if (self)
    {
        self.loadURL = url;
        ourScanCount = scanCount;
    }
    return self;
}

// -------------------------------------------------------------------------------
//  main:
//
//  Examine the given file (from the NSURL "loadURL") to see it its an image file.
//  If an image file examine further and report its file attributes.
//
//  We could use NSFileManager, but to be on the safe side we will use the
//  File Manager APIs to get the file attributes.
// -------------------------------------------------------------------------------

-(void)main {
    if (![self isCancelled])
    {
        // test to see if it's an image file
        if ([self isImageFile:loadURL])
        {
            // in this example, we just get the file's info (mod date, file size) and report it to the table view
            //
            NSNumber *fileSize;
            [self.loadURL getResourceValue:&fileSize forKey:NSURLFileSizeKey error:nil];
            
            NSDate *fileCreationDate;
            [self.loadURL getResourceValue:&fileCreationDate forKey:NSURLCreationDateKey error:nil];
            
            NSDateFormatter* formatter = [[NSDateFormatter alloc] init];
            [formatter setTimeStyle:NSDateFormatterNoStyle];
            [formatter setDateStyle:NSDateFormatterShortStyle];
            NSString *modDateStr = [formatter stringFromDate:fileCreationDate];
            
            NSDictionary *info = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:
                                  [self.loadURL lastPathComponent], kNameKey,
                                  [self.loadURL absoluteString], kPathKey,
                                  modDateStr, kModifiedKey,
                                  [NSString stringWithFormat:@"%ld", [fileSize integerValue]], kSizeKey,
                                  [NSNumber numberWithInteger:ourScanCount], kScanCountKey,  // pass back to check if user cancelled/started a new scan
                                  nil];
            
            if (![self isCancelled])
            {
                // for the purposes of this sample, we're just going to post the information
                // out there and let whoever might be interested receive it (in our case its MyWindowController).
                //
                [[NSNotificationCenter defaultCenter] postNotificationName:kLoadImageDidFinish object:nil userInfo:info];
            }
        }
    }
}

并发的NSOperation子类

在默认情况下，operation 是同步执行的，也就是说在调用它的 start 方法的线程中执行它们的任务。而在 operation 和 operation queue 结合使用时，operation queue 可以为非并发的 operation 提供线程，因此，大部分的 operation 仍然可以异步执行。但是，如果你想要手动地执行一个 operation ，又想这个 operation 能够异步执行的话，你需要做一些额外的配置来让你的 operation 支持并发执行。下面列举了一些你可能需要重写的方法：
start ：(Required) ，所有并发执行的 operation 都必须要重写这个方法，替换掉 NSOperation 类中的默认实现。start 方法是一个 operation 的起点，我们可以在这里配置任务执行的线程或者一些其它的执行环境。另外，需要特别注意的是，在我们重写的 start 方法中一定不要调用父类的实现；
main ：(Optional) ，通常这个方法就是专门用来实现与该 operation 相关联的任务的。尽管我们可以直接在 start 方法中执行我们的任务，但是用 main 方法来实现我们的任务可以使设置代码和任务代码得到分离，从而使 operation 的结构更清晰；
isExecuting 和 isFinished ：(Required) ，并发执行的 operation 需要负责配置它们的执行环境，并且对外报告执行环境的状态。因此，一个并发执行的 operation 必须要维护一些状态信息，用来记录它的任务是否正在执行，是否已经完成执行等。此外，当这两个方法所代表的值发生变化时，我们需要生成相应的 KVO 通知，以便外界能够观察到这些状态的变化；
isConcurrent ：(Required) ，这个方法用来标识一个 operation 是否是并发的 operation ，需要重写这个方法并返回 YES 。

@interface MyOperation : NSOperation {
    BOOL        executing;
    BOOL        finished;
}
- (void)completeOperation;
@end
 
@implementation MyOperation
- (id)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        executing = NO;
        finished = NO;
    }
    return self;
}
 
- (BOOL)isConcurrent {
    return YES;
}
 
- (BOOL)isExecuting {
    return executing;
}
 
- (BOOL)isFinished {
    return finished;
}
@end

- (void)start {
   // Always check for cancellation before launching the task.
   if ([self isCancelled])
   {
      // Must move the operation to the finished state if it is canceled.
      [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
      finished = YES;
      [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];
      return;
   }
 
   // If the operation is not canceled, begin executing the task.
   [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];

   //start方法重写之后，苹果不会再主动执行main方法
   [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(main) toTarget:self withObject:nil];
   executing = YES;
   [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
}

- (void)main {
   @try {
 
       // Do the main work of the operation here.
 
       [self completeOperation];
   }
   @catch(...) {
      // Do not rethrow exceptions.
   }
}
 
- (void)completeOperation {
    [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
    [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];
 
    executing = NO;
    finished = YES;
 
    [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
    [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];
}

NSOperation生命周期与状态

NSOperation被创建后有几个生命周期，Pending，Ready，Executing，Finished，Cancel状态，前三个状态都可以直接执行cancel的操作。

operation开始执行之后,会一直执行任务直到完成,或者显式地取消操作。取消可能发生在任何时候,甚至在operation执行之前。尽管NSOperation提供了一个方法,让应用取消一个操作,但是识别出取消事件则是我们自己的事情。若operation直接终止, 可能无法回收所有已分配的内存或资源。因此operation对象需要检测取消事件,并优雅地退出执行。NSOperation对象需要定期地调用isCancelled方法检测操作是否已经被取消,如果返回YES(表示已取消),则立即退出执行。不管是自定义NSOperation子类,还是使用系统提供的两个具体子类,都需要支持取消。isCancelled方法本身非常轻量,可以频繁地调用而不产生大的性能损失
以下地方可能需要调用isCancelled:

• 在执行任何实际的工作之前
• 在循环的每次迭代过程中,如果每个迭代相对较长可能需要调用多次
• 代码中相对比较容易中止操作的任何地方
  需要注意的是，为了让我们自定义的operation能够取消操作，我们需要在代码中定期检查isCancelled方法的返回值，一旦检查到这个方法返回YES，就需要立刻停止执行接下来任务。
  如果是进行特定任务比如数据请求或者数据下载，我们可以采用系统重写cancel的方法取消操作，但可能会出现一种情况，就是在检查的过程中，这个操作完成了，一旦进入finished状态后，就cancel不掉了，因为没有这个路径，直接从finished到cancel。AFNetworking和SDWebImage的cancel操作都是直接重写，然后去取消下载或者请求的操作。

AFNetworking 中AFURLConnectionOperation的cancel实现

- (void)cancel {
    [self.lock lock];
    if (![self isFinished] && ![self isCancelled]) {
        [super cancel];

        if ([self isExecuting]) {
            [self performSelector:@selector(cancelConnection) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
        }
    }
    [self.lock unlock];
}

SDWebImage中SDWebImageDownloaderOperation的cancel实现

- (void)cancel {
    @synchronized (self) {
        if (self.thread) {
            [self performSelector:@selector(cancelInternalAndStop) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
        }
        else {
            [self cancelInternal];
        }
    }
}

- (void)cancelInternalAndStop {
    if (self.isFinished) return;
    [self cancelInternal];
    CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent());
}

- (void)cancelInternal {
    if (self.isFinished) return;
    [super cancel];
    if (self.cancelBlock) self.cancelBlock();

    if (self.connection) {
        [self.connection cancel];
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            [[NSNotificationCenter defaultCenter] postNotificationName:SDWebImageDownloadStopNotification object:self];
        });

        // As we cancelled the connection, its callback won't be called and thus won't
        // maintain the isFinished and isExecuting flags.
        if (self.isExecuting) self.executing = NO;
        if (!self.isFinished) self.finished = YES;
    }

    [self reset];
}

NSOperation 属性的KVO维护

通过观察以下Key paths，可以非常容易地被观察到NSOperation的状态：

• isCancelled
• isConcurrent
• isExecuting
• isFinished
• isReady
• dependencies
• queuePriority
• completionBlock
  如果你重写了start方法，或者对除了main函数外的NSOperation进行了重大定制，你必须确保自定义对象保持符合这些关键路径的KVO，当覆盖start方法的时候，最应该关注的key patshs变化是isExecuting和isFinished，因为这两个key paths最容易受到重写start方法的影响

NSOperationQueue

一个NSOperation对象可以通过调用start方法来执行任务，默认是同步执行的。也可以将NSOperation添加到一个NSOperationQueue(操作队列)中去执行，而且是异步执行的。具体的执行不用我们自己去管理，都由操作系统去处理。NSOperationQueue和GCD中的并发队列、串行队列略有不同的是：NSOperationQueue一共有两种队列：主队列(maxConcurrentOperationCount为1)、其他队列。其中其他队列同时包含了串行、并发功能。

主队列：凡是加到主队列中的operation，都会放到主线程执行。

NSOperationQueue *queue = [NSOperationQueue mainQueue];

其他队列:

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

将任务加到队列中去

把任务加入到队列中主要是以下方法
- (void)addOperation:,添加一个 operation 到 operation queue 中。
- (void)addOperations:(NSArray *)ops waitUntilFinished: ，添加一组 operation 到 operation queue 中。
- (void)addOperationWithBlock:,直接添加一个 block 到 operation queue 中，而不用创建一个 NSBlockOperation 对象。

- (void)runAddOperation
{
    NSOperationQueue *_queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    NSBlockOperation *_blockOp = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"block operation");
    }];
    
    NSBlockOperation *_copyOp = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"Copy Operation");
    }];
    
    NSInvocationOperation *_invocationOp =[[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self
                                                                               selector:@selector(runInvocationOp)
                                                                                 object:nil];
    
    [_queue addOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"add block");
    }];
    
    [_queue addOperation:_invocationOp];
    [_queue addOperations:@[_blockOp, _copyOp] waitUntilFinished:NO];
}

- (void)runInvocationOp
{
    NSLog(@"send Log");
}

设置最大并发数（maxConcurrentOperationCount）

NSOperationQueue类是设计用来执行操作的并行执行，但你可以强行把maxConcurrentOperationCount设置成1用来执行串行操作。但这个队列的执行顺序并不跟GCD中的串行队列那样完全遵循FIFO，而是由好几个因素决定，比如operation 的 isReady 状态，优先级等。如果不设置maxConcurrentOperationCount的属性，那么它的默认值就是
NSOperationQueueDefaultMaxConcurrentOperationCount，就是系统可设置最大操作并行数。

设置操作的任务依赖

通过配置依赖关系，我们可以让不同的operation串行之行，一个operation只有在它依赖的所有operation都执行完成之后才能开始执行。配置operation的依赖关系要涉及到NSOperation类中的addDependency方法。注意三点
* 依赖是单向的操作，[A addDependency:B]，表示A依赖B，但B并不会依赖A，不然会形成循环依赖
* 依赖也并不局限在同一个queue中
* 一定不能形成循环依赖，否则会形成死锁

Operation的优先级

当加入到一个队列中，执行顺序取决于operation的isReady状态以及它们对应的优先级。isReady状态取决于操作之间的相互依赖。但是操作优先级水平则是完全由operation的优先级属性决定。所有新建的操作都有一个默认的normal优先级，但是你可以通过setQueuePriority方法来人为增加或者降低操作优先级。

Operation Queue vs Grand Central Dispatch(GCD)

苹果的文档中已经对两者的差别和使用场景给出了官方的解释

GCD is a low-level API that gives you the flexibility to structure your code in a variety of different ways. In contrast, NSOperation provides you with a default structure that you can use for your asynchronous code. If you're looking for an existing, well-defined structure that's perfectly tailored for Cocoa applications, use NSOperation. If you're looking to create your own structure that exactly matches your problem space, use GCD.

GCD是基于C语言开发的底层API，可以灵活地以各种不同的方式构建代码。相比之下NSOperation给你提供了可异步处理代码的默认结构。如果你正在寻找一种完美适用于Cocoa应用程序的结构请使用NSOperation。如果你希望创建与您的问题完全匹配的自己的结构，可以使用GCD。即可以归结为两点，GCD更底层，而NSOperation则为我们带来了一些面向对象的封装，也带来了方便的灵活性。我自己对两者的归结点如下：

• NSOperation: 建立在 GCD 的基础之上的，面向对象的解决方案，当operation需要添加相互依赖，或者取消一个正在执行的operation，暂停或者恢复operation queue时候，NSOperation无疑更加灵活。
• GCD：基于C层级的API，轻量级，FIFO执行并发的方式，使用GCD时候我们并不关心任务的调度情况，而让系统帮我们自动处理。

Simple and Reliable Threading with NSOperation
Concurrency Programming Guide
iOS 并发编程之 Operation Queues