ios学习路线—iOS高级(GCD)

什么是 GCD
GCD 是 libdispatch 的市场名称，而 libdispatch 作为 Apple 的一个库，为并发代码在多核硬件（跑 iOS 或 OS X ）上执行提供有力支持。它具有以下优点：
1.GCD 能通过推迟昂贵计算任务并在后台运行它们来改善你的应用的响应性能。
2.GCD 提供一个易于使用的并发模型而不仅仅只是锁和线程，以帮助我们避开并发陷阱。
3.GCD 具有在常见模式（例如单例）上用更高性能的原语优化你的代码的潜在能力。

GCD 术语
要理解 GCD ，你要先熟悉与线程和并发相关的几个概念。这两者都可能模糊和微妙，所以在开始 GCD 之前先简要地回顾一下它们。

Serial vs. Concurrent 串行 vs. 并发
这些术语描述当任务相对于其它任务被执行，任务串行执行就是每次只有一个任务被执行，任务并发执行就是在同一时间可以有多个任务被执行。

Synchronous vs. Asynchronous 同步 vs. 异步
在 GCD 中，这些术语描述当一个函数相对于另一个任务完成，此任务是该函数要求 GCD 执行的。
一个同步函数只在完成了它预定的任务后才返回。

一个异步函数，刚好相反，会立即返回，预定的任务会完成但不会等它完成。因此，一个异步函数不会阻塞当前线程去执行下一个函数。

Critical Section 临界区
就是一段代码不能被并发执行，也就是，两个线程不能同时执行这段代码。这很常见，因为代码去操作一个共享资源，例如一个变量若能被并发进程访问，那么它很可能会变质（译者注：它的值不再可信）。

Race Condition 竞态条件
这种状况是指基于特定序列或时机的事件的软件系统以不受控制的方式运行的行为，例如程序的并发任务执行的确切顺序。竞态条件可导致无法预测的行为，而不能通过代码检查立即发现。

Deadlock 死锁
两个（有时更多）东西——在大多数情况下，是线程——所谓的死锁是指它们都卡住了，并等待对方完成或执行其它操作。第一个不能完成是因为它在等待第二个的完成。但第二个也不能完成，因为它在等待第一个的完成。

Thread Safe 线程安全
线程安全的代码能在多线程或并发任务中被安全的调用，而不会导致任何问题（数据损坏，崩溃，等）。线程不安全的代码在某个时刻只能在一个上下文中运行。一个线程安全代码的例子是 NSDictionary 。你可以在同一时间在多个线程中使用它而不会有问题。另一方面，NSMutableDictionary 就不是线程安全的，应该保证一次只能有一个线程访问它。

Context Switch 上下文切换
一个上下文切换指当你在单个进程里切换执行不同的线程时存储与恢复执行状态的过程。这个过程在编写多任务应用时很普遍，但会带来一些额外的开销。

Concurrency vs Parallelism 并发与并行
并发和并行通常被一起提到，所以值得花些时间解释它们之间的区别。

并发代码的不同部分可以“同步”执行。然而，该怎样发生或是否发生都取决于系统。多核设备通过并行来同时执行多个线程；然而，为了使单核设备也能实现这一点，它们必须先运行一个线程，执行一个上下文切换，然后运行另一个线程或进程。这通常发生地足够快以致给我们并发执行地错觉。
虽然你可以编写代码在 GCD 下并发执行，但 GCD 会决定有多少并行的需求。并行要求并发，但并发并不能保证并行。

Queues 队列
GCD 提供有 dispatch queues 来处理代码块，这些队列管理你提供给 GCD 的任务并用 FIFO 顺序执行这些任务。这就保证了第一个被添加到队列里的任务会是队列中第一个开始的任务，而第二个被添加的任务将第二个开始，如此直到队列的终点。

所有的调度队列（dispatch queues）自身都是线程安全的，你能从多个线程并行的访问它们。 GCD 的优点是显而易见的，即当你了解了调度队列如何为你自己代码的不同部分提供线程安全。关于这一点的关键是选择正确类型的调度队列和正确的调度函数来提交你的工作。

Serial Queues 串行队列
这些任务的执行时机受到 GCD 的控制；唯一能确保的事情是 GCD 一次只执行一个任务，并且按照我们添加到队列的顺序来执行。

由于在串行队列中不会有两个任务并发运行，因此不会出现同时访问临界区的风险；相对于这些任务来说，这就从竞态条件下保护了临界区。所以如果访问临界区的唯一方式是通过提交到调度队列的任务，那么你就不需要担心临界区的安全问题了。

Concurrent Queues 并发队列
在并发队列中的任务能得到的保证是它们会按照被添加的顺序开始执行，但这就是全部的保证了。任务可能以任意顺序完成，你不会知道何时开始运行下一个任务，或者任意时刻有多少 Block 在运行。再说一遍，这完全取决于 GCD 。

何时开始一个 Block 完全取决于 GCD 。如果一个 Block 的执行时间与另一个重叠，也是由 GCD 来决定是否将其运行在另一个不同的核心上，如果那个核心可用，否则就用上下文切换的方式来执行不同的 Block 。

有趣的是， GCD 提供给你至少五个特定的队列，可根据队列类型选择使用。

Queue Types 队列类型
首先，系统提供给你一个叫做 主队列（main queue） 的特殊队列。和其它串行队列一样，这个队列中的任务一次只能执行一个。然而，它能保证所有的任务都在主线程执行，而主线程是唯一可用于更新 UI 的线程。这个队列就是用于发生消息给 UIView 或发送通知的。

系统同时提供给你好几个并发队列。它们叫做 全局调度队列（Global Dispatch Queues） 。目前的四个全局队列有着不同的优先级：background、low、default 以及 high。要知道，Apple 的 API 也会使用这些队列，所以你添加的任何任务都不会是这些队列中唯一的任务。

最后，你也可以创建自己的串行队列或并发队列。这就是说，至少有五个队列任你处置：主队列、四个全局调度队列，再加上任何你自己创建的队列。

简介
在iOS所有实现多线程的方案中，GCD应该是最有魅力的，因为GCD本身是苹果公司为多核的并行运算提出的解决方案。GCD在工作时会自动利用更多的处理器核心，以充分利用更强大的机器。GCD是Grand Central Dispatch的简称，它是基于C语言的。如果使用GCD，完全由系统管理线程，我们不需要编写线程代码。只需定义想要执行的任务,然后添加到适当的调度队列(dispatch queue)。GCD会负责创建线程和调度你的任务，系统直接提供线程管理。

调度队列(dispath queue)
1.GCD的一个重要概念是队列，它的核心理念：将长期运行的任务拆分成多个工作单元，并将这些单元添加到dispath queue中，系统会为我们管理这些dispath queue，为我们在多个线程上执行工作单元，我们不需要直接启动和管理后台线程。
2.系统提供了许多预定义的dispath queue，包括可以保证始终在主线程上执行工作的dispath queue。也可以创建自己的dispath queue，而且可以创建任意多个。GCD的dispath queue严格遵循FIFO(先进先出)原则，添加到dispath queue的工作单元将始终按照加入dispath queue的顺序启动。
3.dispatch queue按先进先出的顺序,串行或并发地执行任务。
(1).serial dispatch queue一次只能执行一个任务, 当前任务完成才开始出列并启动下一个任务。
(2).concurrent dispatch queue则尽可能多地启动任务并发执行。

创建和管理dispatch queue
1.获得全局并发Dispatch Queue (concurrent dispatch queue).
(1).并发dispatch queue可以同时并行地执行多个任务,不过并发queue仍然按先进先出的顺序来启动任务。并发queue会在之前的任务完成之前就出列下一个任务并开始执行。并发queue同时执行的任务数量会根据应用和系统动态变化,各种因素包括:可用核数量、其它进程正在执行的工作数量、其它串行dispatch queue中优先任务的数量等。
(2).系统给每个应用提供三个并发dispatch queue,整个应用内全局共享,三个queue的区别是优先级。你不需要显式地创建这些queue,使用dispatch_get_global_queue函数来获取这三个queue.

//获取默认优先级的全局并发dispatch queue  
dispatch_queue_t  queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  

第一个参数用于指定优先级，分别使用DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH和DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW两个常量来获取高和低优先级的两个queue；第二个参数目前未使用到，默认0即可。
(3).虽然dispatch queue是引用计数的对象,但你不需要retain和release全局并发queue。因为这些queue对应用是全局的,retain和release调用会被忽略。你也不需要存储这三个queue的引用,每次都直接调用dispatch_get_global_queue获得queue就行了。

2.创建串行Dispatch Queue (serial dispatch queue)
(1).应用的任务需要按特定顺序执行时,就需要使用串行Dispatch Queue,串行queue每次只能执行一个任务。你可以使用串行queue来替代锁,保护共享资源 或可变的数据结构。和锁不一样的是,串行queue确保任务按可预测的顺序执行。而且只要你异步地提交任务到串行queue,就永远不会产生死锁。
(2).你必须显式地创建和管理所有你使用的串行queue,应用可以创建任意数量的串行queue,但不要为了同时执行更多任务而创建更多的串行queue。如果你需要并发地执行大量任务,应该把任务提交到全局并发queue。
(3).利用dispatch_queue_create函数创建串行queue,两个参数分别是queue名和一组queue属性。

dispatch_queue_t queue;  
queue = dispatch_queue_create("cn.itcast.queue", NULL);  

3.运行时获得公共Queue
GCD提供了函数让应用访问几个公共dispatch queue:
(1).使用dispatch_get_current_queue函数作为调试用途,或者测试当前queue的标识。在block对象中调用这个函数会返回block提交到的queue(这个时候queue应该正在执行中)。在block对象之外调用这个函数会返回应用的默认并发queue。
(2).使用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程关联的串行dispatch queue。
(3).使用dispatch_get_global_queue来获得共享的并发queue。

4.Dispatch Queue的内存管理
(1).Dispatch Queue和其它dispatch对象(还有dispatch source)都是引用计数的数据类型。当你创建一个串行dispatch queue时,初始引用计数为 1,你可以使用dispatch_retain和dispatch_release函数来增加和减少引用计数。当引用计数到达 0 时,系统会异步地销毁这个queue。
(2).对dispatch对象(如dispatch queue)retain和release 是很重要的,确保它们被使用时能够保留在内存中。和OC对象一样,通用的规则是如果使用一个传递过来的queue,你应该在使用前retain,使用完之后release。
(3).你不需要retain或release全局dispatch queue,包括全局并发dispatch queue和main dispatch queue。
(4).即使你实现的是自动垃圾收集的应用,也需要retain和release创建的dispatch queue和其它dispatch对象。GCD 不支持垃圾收集模型来回收内存。

添加任务到queue
要执行一个任务,你需要将它添加到一个适当的dispatch queue,你可以单个或按组来添加，也可以同步或异步地执行一个任务。一旦进入到queue,queue会负责尽快地执行你的任务。一般可以用一个block来封装任务内容。
1.添加单个任务到queue
(1).异步添加任务
你可以异步或同步地添加一个任务到Queue,尽可能地使用dispatch_async或dispatch_async_f函数异步地调度任务。因为添加任务到Queue中时,无法确定这些代码什么时候能够执行。因此异步地添加block或函数,可以让你立即调度这些代码的执行,然后调用线程可以继续去做其它事情。特别是应用主线程一定要异步地 dispatch 任务,这样才能及时地响应用户事件
(2).同步添加任务
少数时候你可能希望同步地调度任务,以避免竞争条件或其它同步错误。 使用dispatch_sync和dispatch_sync_f函数同步地添加任务到Queue,这两个函数会阻塞当前调用线程,直到相应任务完成执行。注意：绝对不要在任务中调用 dispatch_sync或dispatch_sync_f函数,并同步调度新任务到当前正在执行的 queue。对于串行queue这一点特别重要,因为这样做肯定会导致死锁;而并发queue也应该避免这样做。
(3).代码演示

// 调用前，查看下当前线程  
NSLog(@"当前调用线程：%@", [NSThread currentThread]);  

// 创建一个串行queue  
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("cn.itcast.queue", NULL);  

dispatch_async(queue, ^{  
    NSLog(@"开启了一个异步任务，当前线程：%@", [NSThread currentThread]);  
});  

dispatch_sync(queue, ^{  
    NSLog(@"开启了一个同步任务，当前线程：%@", [NSThread currentThread]);  
});  
// 销毁队列  
dispatch_release(queue);  

打印信息:

2013-02-03 09:03:37.348 thread[6491:c07] 当前调用线程：0x714fa80>{name = (null), num = 1}  
2013-02-03 09:03:37.349 thread[6491:1e03] 开启了一个异步任务，当前线程：0x74520a0>{name = (null), num = 3}  
2013-02-03 09:03:37.350 thread[6491:c07] 开启了一个同步任务，当前线程：0x714fa80>{name = (null), num = 1} 

2.并发的执行循环迭代
如果你使用循环执行固定次数的迭代, 并发dispatch queue可能会提高性能。
例如下面的for循环：

int i;  
int count = 10;  
for (i = 0; i < count; i++) {  
   printf("%d  ",i);  
}  

(1).如果每次迭代执行的任务与其它迭代独立无关,而且循环迭代执行顺序也无关紧要的话,你可以调用dispatch_apply或dispatch_apply_f函数来替换循环。这两个函数为每次循环迭代将指定的block或函数提交到queue。当dispatch到并发 queue时,就有可能同时执行多个循环迭代。用dispatch_apply或dispatch_apply_f时你可以指定串行或并发 queue。并发queue允许同时执行多个循环迭代,而串行queue就没太大必要使了。
下面代码使用dispatch_apply替换了for循环,你传递的block必须包含一个size_t类型的参数,用来标识当前循环迭代。第一次迭代这个参数值为0,最后一次值为count - 1。

// 获得全局并发queue  
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  
size_t count = 10;  
dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i) {  
    printf("%zd ", i);  
});  
// 销毁队列  
dispatch_release(queue); 

打印信息:

1 2 0 3 4 5 6 7 8 9   

可以看出，这些迭代是并发执行的
和普通for循环一样,dispatch_apply和dispatch_apply_f函数也是在所有迭代完成之后才会返回，因此这两个函数会阻塞当前线程，主线程中调用这两个函数必须小心,可能会阻止事件处理循环并无法响应用户事件。所以如果循环代码需要一定的时间执行,可以考虑在另一个线程中调用这两个函数。如果你传递的参数是串行queue,而且正是执行当前代码的queue,就会产生死锁。

3.在主线程中执行任务
(1).GCD提供一个特殊的dispatch queue,可以在应用的主线程中执行任务。只要应用主线程设置了run loop(由CFRunLoopRef类型或NSRunLoop对象管理),就会自动创建这个queue,并且最后会自动销毁。非Cocoa应用如果不显式地设置run loop, 就必须显式地调用dispatch_main函数来显式地激活这个dispatch queue，否则虽然你可以添加任务到queue,但任务永远不会被执行。调用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程的dispatch queue,添加到这个queue的任务由主线程串行化执行。
(2).调用dispatch_get_main_queue函数获得应用主线程的dispatch queue,添加到这个queue的任务由主线程串行化执行。
(3).代码实现，比如异步下载图片后，回到主线程显示图片。

// 异步下载图片  
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg"];  
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:[NSData dataWithContentsOfURL:url]];  

    // 回到主线程显示图片  
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{  
        self.imageView.image = image;  
    });  
});  

4.任务中使用Objective-C对象
GCD支持Cocoa内存管理机制,因此可以在提交到queue的block中自由地使用Objective-C对象。每个dispatch queue维护自己的autorelease pool确保释放autorelease对象,但是queue不保证这些对象实际释放的时间。如果应用消耗大量内存,并且创建大量autorelease对象,你需要创建自己的autorelease pool,用来及时地释放不再使用的对象。

暂停和继续queue
我们可以使用dispatch_suspend函数暂停一个queue以阻止它执行block对象;使用dispatch_resume函数继续dispatch queue。调用dispatch_suspend会增加queue的引用计数,调用dispatch_resume则减少queue的引用计数。当引用计数大于0时,queue就保持挂起状态。因此你必须对应地调用suspend和resume函数。挂起和继续是异步的,而且只在执行block之间（比如在执行一个新的block之前或之后）生效。挂起一个queue不会导致正在执行的block停止。

Dispatch Group的使用
假设有这样一个需求：从网络上下载两张不同的图片，然后显示到不同的UIImageView上去，一般可以这样实现

// 根据url获取UIImage  
- (UIImage *)imageWithURLString:(NSString *)urlString {  
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:urlString];  
    NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];  
    return [UIImage imageWithData:data];  
}  

- (void)downloadImages {  
    // 异步下载图片  
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
        // 下载第一张图片  
        NSString *url1 = @"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg";  
        UIImage *image1 = [self imageWithURLString:url1];  

        // 下载第二张图片  
        NSString *url2 = @"http://hiphotos.baidu.com/lvpics/pic/item/3a86813d1fa41768bba16746.jpg";  
        UIImage *image2 = [self imageWithURLString:url2];  

        // 回到主线程显示图片  
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{  
            self.imageView1.image = image1;  

            self.imageView2.image = image2;  
        });  
    });  
}  

虽然这种方案可以解决问题，但其实两张图片的下载过程并不需要按顺序执行，并发执行它们可以提高执行速度。有个注意点就是必须等两张图片都下载完毕后才能回到主线程显示图片。Dispatch Group能够在这种情况下帮我们提升性能。下面先看看Dispatch Group的用处：
我们可以使用dispatch_group_async函数将多个任务关联到一个Dispatch Group和相应的queue中，group会并发地同时执行这些任务。而且Dispatch Group可以用来阻塞一个线程, 直到group关联的所有的任务完成执行。有时候你必须等待任务完成的结果,然后才能继续后面的处理。

// 根据url获取UIImage  
- (UIImage *)imageWithURLString:(NSString *)urlString {  
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:urlString];  
    NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];  
    // 这里并没有自动释放UIImage对象  
    return [[UIImage alloc] initWithData:data];  
}  

- (void)downloadImages {  
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);  

    // 异步下载图片  
    dispatch_async(queue, ^{  
        // 创建一个组  
        dispatch_group_t group = dispatch_group_create();  

        __block UIImage *image1 = nil;  
        __block UIImage *image2 = nil;  

        // 关联一个任务到group  
        dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
            // 下载第一张图片  
            NSString *url1 = @"http://car0.autoimg.cn/upload/spec/9579/u_20120110174805627264.jpg";  
            image1 = [self imageWithURLString:url1];  
        });  

        // 关联一个任务到group  
        dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{  
            // 下载第一张图片  
            NSString *url2 = @"http://hiphotos.baidu.com/lvpics/pic/item/3a86813d1fa41768bba16746.jpg";  
            image2 = [self imageWithURLString:url2];  
        });  

        // 等待组中的任务执行完毕,回到主线程执行block回调  
        dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{  
            self.imageView1.image = image1;  
            self.imageView2.image = image2;  

            // 千万不要在异步线程中自动释放UIImage，因为当异步线程结束，异步线程的自动释放池也会被销毁，那么UIImage也会被销毁  

            // 在这里释放图片资源  
            [image1 release];  
            [image2 release];  
        });  

        // 释放group  
        dispatch_release(group);  
    });  
}  

dispatch_group_notify函数用来指定一个额外的block，该block将在group中所有任务完成后执行。