iOS多线程 Swift4 GCD深入解析
iOS多线程深入解析
必要的概念
进程/线程
进程：进程指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。
线程：线程是进程的基本执行单元，一个进程（程序）的所有任务都在线程中执行。
操作系统引入进程的目的：为了使多个程序能并发执行，以提高资源的利用率和系统的吞吐量。
操作系统引入线程的目的：在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。多线程技术可以提高程序的执行效率。
在引入线程的OS中，通常把进程作为资源分配的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。
同步/异步
同步：多个任务情况下，一个任务A执行结束，才可以执行另一个任务B。
异步：多个任务情况下，一个任务A正在执行，同时可以执行另一个任务B。任务B不用等待任务A结束才执行。存在多条线程。
并行/并发
并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。多核CUP同时开启多条线程供多个任务同时执行，互不干扰。
并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。可以在某条线程和其他线程之间反复多次进行上下文切换，看上去就好像一个CPU能够并且执行多个线程一样。其实是伪异步。
线程间通信
在1个进程中，线程往往不是孤立存在的，多个线程之间需要经常进行通信
线程间通信的体现：
- 1个线程传递数据给另1个线程
- 在1个线程中执行完特定任务后，转到另1个线程继续执行任务
多线程概念
多线程是指在软件或硬件上实现多个线程并发执行的技术。通俗讲就是在同步或异步的情况下，开辟新线程，进行线程间的切换，以及对线程进行合理的调度，做到优化提升程序性能的目的。
多线程的优点
- 能适当提高程序的执行效率
- 能适当提高资源利用率（CPU、内存利用率）
- 避免在处理耗时任务时造成主线程阻塞
多线程的缺点
- 开启线程需要占用一定的内存空间，如果开启大量的线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
- 线程越多，CPU在调度线程上的开销就越大
- 可能会导致多个线程相互持续等待[死锁]
- 程序设计更加复杂：比如线程之间的通信、多线程之间的数据竞争
GCD（Grand Central Dispatch）
Dispatch会自动的根据CPU的使用情况，创建线程来执行任务，并且自动的运行到多核上，提高程序的运行效率。对于开发者来说，在GCD层面是没有线程的概念的，只有队列（queue）。任务都是以block的方式提交到队列上，然后GCD会自动的创建线程池去执行这些任务。
GCD的优点：
- GCD是苹果公司为多核的并行运算提出的解决方案
- GCD会自动利用更多的CPU内核（比如双核、四核）
- GCD会自动管理线程的生命周期（创建线程、调度任务、销毁线程）
- 程序员只需要告诉GCD想要执行什么任务，不需要编写任何线程管理代码
GCD中有两个核心概念
任务 block：执行什么操作
队列 queue：用来存放任务
GCD的使用就两个步骤
- 定制任务，确定想做的事情
- 将任务添加到队列中，
GCD会自动将队列中的任务取出，放到对应的线程中执行。任务的取出遵循队列的FIFO原则：先进先出，后进后出。
GCD中有两个执行任务的函数
-
同步执行任务（sync）
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);同步任务会阻塞当前线程，然后把
Block中的任务放到指定的队列中执行，只有等到Block中的任务完成后才会让当前线程继续往下运行。sync是一个强大但是容易被忽视的函数。使用sync，可以方便的进行线程间同步。但是，有一点要注意，sync容易造成死锁。
-
异步执行任务（async）
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);异步任务会再开辟一个线程，当前线程继续往下走，新线程去执行
block里的任务。
GCD的队列可以分为两大类型
-
并行队列（Concurrent Dispatch Queue）：
- 可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务）
- 并行功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效
放到并行队列的任务，如果是异步执行，
GCD也会FIFO的取出来，但不同的是，它取出来一个就会放到别的线程，然后再取出来一个又放到另一个的线程。这样由于取的动作很快，忽略不计，看起来，所有的任务都是一起执行的。不过需要注意，GCD会根据系统资源控制并行的数量，所以如果任务很多，它并不会让所有任务同时执行。
-
串行队列（Serial Dispatch Queue）：
让任务一个接着一个地执行（一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）
同步执行 异步执行 串行队列 当前线程，一个一个执行 其他线程，一个一个执行 并发队列 当前线程，一个一个执行 开很多线程，一起执行
Swift4 GCD 使用
DispatchQueue
最简单的，可以按照以下方式初始化一个队列
//这里的名字能够方便开发者进行Debug
let queue = DispatchQueue(label: "com.geselle.demoQueue")
这样初始化的队列是一个默认配置的队列，也可以显式的指明对列的其他属性
let label = "com.leo.demoQueue"
let qos = DispatchQoS.default
let attributes = DispatchQueue.Attributes.concurrent
let autoreleaseFrequency = DispatchQueue.AutoreleaseFrequency.never
let queue = DispatchQueue(label: label, qos: qos, attributes: attributes, autoreleaseFrequency: autoreleaseFrequency, target: nil)
这里，我们来一个参数分析他们的作用
label： 队列的标识符，方便调试qos： 队列的quality of service。用来指明队列的“重要性”，后文会详细讲到。attributes： 队列的属性。类型是DispatchQueue.Attributes,是一个结构体，遵循了协议OptionSet。意味着你可以这样传入第一个参数[.option1,.option2]。- 默认：队列是串行的。
.concurrent：队列为并行的。.initiallyInactive：则队列任务不会自动执行，需要开发者手动触发。
autoreleaseFrequency： 顾名思义，自动释放频率。有些队列是会在执行完任务后自动释放的，有些比如Timer等是不会自动释放的，是需要手动释放。
队列分类
- 系统创建的队列
- 主队列（对应主线程）
- 全局队列
- 用户创建的队列
// 获取系统队列
let mainQueue = DispatchQueue.main
let globalQueue = DispatchQueue.global()
let globalQueueWithQos = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)
// 创建串行队列
let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.serialQueue")
// 创建并行队列
let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.concurrentQueue",attributes:.concurrent)
// 创建并行队列，并手动触发
let concurrentQueue2 = DispatchQueue(label:"com.geselle.concurrentQueue2", qos: .utility,attributes[.concurrent,.initiallyInactive])
//手动触发
if let queue = inactiveQueue {
queue.activate()
}
suspend / resume
Suspend可以挂起一个线程，就是把这个线程暂停了，它占着资源，但不运行。
Resume可以继续挂起的线程，让这个线程继续执行下去。
concurrentQueue.resume()
concurrentQueue.suspend(）
QoS（quality of service）
QoS的全称是quality of service。在Swift 3中，它是一个结构体，用来制定队列或者任务的重要性。
何为重要性呢？就是当资源有限的时候，优先执行哪些任务。这些优先级包括 CPU 时间，数据 IO 等等，也包括 ipad muiti tasking（两个App同时在前台运行）。
通常使用QoS为以下四种，从上到下优先级依次降低。
User Interactive： 和用户交互相关，比如动画等等优先级最高。比如用户连续拖拽的计算User Initiated： 需要立刻的结果，比如push一个ViewController之前的数据计算Utility： 可以执行很长时间，再通知用户结果。比如下载一个文件，给用户下载进度。Background： 用户不可见，比如在后台存储大量数据
通常，你需要问自己以下几个问题
- 这个任务是用户可见的吗？
- 这个任务和用户交互有关吗？
- 这个任务的执行时间有多少？
- 这个任务的最终结果和UI有关系吗？
在GCD中，指定QoS有以下两种方式
方式一：创建一个指定QoS的queue
let backgroundQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.backgroundQueue", qos: .background)
backgroundQueue.async {
//在QoS为background下运行
}
方式二：在提交block的时候，指定QoS
queue.async(qos: .background) {
//在QoS为background下运行
}
DispatchGroup
DispatchGroup用来管理一组任务的执行，然后监听任务都完成的事件。比如，多个网络请求同时发出去，等网络请求都完成后reload UI。
let group = DispatchGroup()
let queueBook = DispatchQueue(label: "book")
print("start networkTask task 1")
queueBook.async(group: group) {
sleep(2)
print("End networkTask task 1")
}
let queueVideo = DispatchQueue(label: "video")
print("start networkTask task 2")
queueVideo.async(group: group) {
sleep(2)
print("End networkTask task 2")
}
group.notify(queue: DispatchQueue.main) {
print("all task done")
}
group.notify会等group里的所有任务全部完成以后才会执行（不管是同步任务还是异步任务）。
Group.enter / Group.leave
/*
首先写一个函数，模拟异步网络请求
这个函数有三个参数
* label 表示id
* cost 表示时间消耗
* complete 表示任务完成后的回调
*/
public func networkTask(label:String, cost:UInt32, complete:@escaping ()->()){
print("Start network Task task%@",label)
DispatchQueue.global().async {
sleep(cost)
print("End networkTask task%@",label)
DispatchQueue.main.async {
complete()
}
}
}
// 我们模拟两个耗时2秒和4秒的网络请求
print("Group created")
let group = DispatchGroup()
group.enter()
networkTask(label: "1", cost: 2, complete: {
group.leave()
})
group.enter()
networkTask(label: "2", cost: 2, complete: {
group.leave()
})
group.wait(timeout: .now() + .seconds(4))
group.notify(queue: .main, execute:{
print("All network is done")
})
Group.wait
DispatchGroup支持阻塞当前线程，等待执行结果。
//在这个点，等待三秒钟
group.wait(timeout:.now() + .seconds(3))
DispatchWorkItem
上文提到的方式，我们都是以block（或者叫闭包）的形式提交任务。DispatchWorkItem则把任务封装成了一个对象。
比如，你可以这么使用
let item = DispatchWorkItem {
//任务
}
DispatchQueue.global().async(execute: item)
也可以在初始化的时候指定更多的参数
let item = DispatchWorkItem(qos: .userInitiated, flags: [.enforceQoS,.assignCurrentContext]) {
//任务
}
* 第一个参数表示 QoS。
* 第二个参数类型为 DispatchWorkItemFlags。指定这个任务的配饰信息
* 第三个参数则是实际的任务 block
DispatchWorkItemFlags的参数分为两组
-
执行情况
- barrier
- detached
- assignCurrentContext
-
QoS覆盖信息
- noQoS //没有 QoS
- inheritQoS //继承 Queue 的 QoS
- enforceQoS //自己的 QoS 覆盖 Queue
after（延迟执行）
GCD可以通过asyncAfter来提交一个延迟执行的任务
比如
let deadline = DispatchTime.now() + 2.0
print("Start")
DispatchQueue.global().asyncAfter(deadline: deadline) {
print("End")
}
延迟执行还支持一种模式DispatchWallTime
let walltime = DispatchWallTime.now() + 2.0
print("Start")
DispatchQueue.global().asyncAfter(wallDeadline: walltime) {
print("End")
}
这里的区别就是
DispatchTime的精度是纳秒DispatchWallTime的精度是微秒
Synchronization 同步
通常，在多线程同时会对一个变量(比如NSMutableArray)进行读写的时候，我们需要考虑到线程的同步。举个例子：比如线程一在对NSMutableArray进行addObject的时候，线程二如果也想addObject,那么它必须等到线程一执行完毕后才可以执行。
实现这种同步有很多种机制
NSLock 互斥锁
let lock = NSLock()
lock.lock()
//Do something
lock.unlock()
使用锁有一个不好的地方就是：lock和unlock要配对使用，不然极容易锁住线程，没有释放掉。
sync 同步函数
使用GCD，队列同步有另外一种方式- sync，讲属性的访问同步到一个queue上去，就能保证在多线程同时访问的时候，线程安全。
class MyData{
private var privateData:Int = 0
private let dataQueue = DispatchQueue(label: "com.leo.dataQueue")
var data:Int{
get{
return dataQueue.sync{ privateData }
}
set{
dataQueue.sync { privateData = newValue}
}
}
}
Barrier 线程阻断
假设我们有一个并发的队列用来读写一个数据对象。如果这个队列里的操作是读的，那么可以多个同时进行。如果有写的操作，则必须保证在执行写入操作时，不会有读取操作在执行，必须等待写入完成后才能读取，否则就可能会出现读到的数据不对。这个时候我们会用到 Barrier。
以barrier flag提交的任务能够保证其在并行队列执行的时候，是唯一的一个任务。（只对自己创建的队列有效，对gloablQueue无效）
我们写个例子来看看效果
let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.leo.concurrent", attributes: .concurrent)
concurrentQueue.async {
readDataTask(label: "1", cost: 3)
}
concurrentQueue.async {
readDataTask(label: "2", cost: 3)
}
concurrentQueue.async(flags: .barrier, execute: {
NSLog("Task from barrier 1 begin")
sleep(3)
NSLog("Task from barrier 1 end")
})
concurrentQueue.async {
readDataTask(label: "2", cost: 3)
}
然后，看到Log
2017-01-06 17:14:19.690 Dispatch[15609:245546] Start data task1
2017-01-06 17:14:19.690 Dispatch[15609:245542] Start data task2
2017-01-06 17:14:22.763 Dispatch[15609:245546] End data task1
2017-01-06 17:14:22.763 Dispatch[15609:245542] End data task2
2017-01-06 17:14:22.764 Dispatch[15609:245546] Task from barrier 1 begin
2017-01-06 17:14:25.839 Dispatch[15609:245546] Task from barrier 1 end
2017-01-06 17:14:25.839 Dispatch[15609:245546] Start data task3
2017-01-06 17:14:28.913 Dispatch[15609:245546] End data task3
执行的效果就是：barrier任务提交后，等待前面所有的任务都完成了才执行自身。barrier任务执行完了后，再执行后续执行的任务。
Semaphore 信号量
DispatchSemaphore是传统计数信号量的封装，用来控制资源被多任务访问的情况。
简单来说，如果我只有两个usb端口，如果来了三个usb请求的话，那么第3个就要等待，等待有一个空出来的时候，第三个请求才会继续执行。
我们来模拟这一情况:
public func usbTask(label:String, cost:UInt32, complete:@escaping ()->()){
print("Start usb task%@",label)
sleep(cost)
print("End usb task%@",label)
complete()
}
let semaphore = DispatchSemaphore(value: 2)
let queue = DispatchQueue(label: "com.leo.concurrentQueue", qos: .default, attributes: .concurrent)
queue.async {
semaphore.wait()
usbTask(label: "1", cost: 2, complete: {
semaphore.signal()
})
}
queue.async {
semaphore.wait()
usbTask(label: "2", cost: 2, complete: {
semaphore.signal()
})
}
queue.async {
semaphore.wait()
usbTask(label: "3", cost: 1, complete: {
semaphore.signal()
})
}
log
2017-01-06 15:03:09.264 Dispatch[5711:162205] Start usb task2
2017-01-06 15:03:09.264 Dispatch[5711:162204] Start usb task1
2017-01-06 15:03:11.338 Dispatch[5711:162205] End usb task2
2017-01-06 15:03:11.338 Dispatch[5711:162204] End usb task1
2017-01-06 15:03:11.339 Dispatch[5711:162219] Start usb task3
2017-01-06 15:03:12.411 Dispatch[5711:162219] End usb task3
Tips：在
serial queue上使用信号量要注意死锁的问题。感兴趣的同学可以把上述代码的queue改成serial的，看看效果。
参考文章：
iOS多线程与GCD 你看我就够了
GCD精讲（Swift 3）
iOS多线程-各种线程锁的简单介绍
关于iOS多线程，你看我就够了
IOS开发之多线程详解
Swift 3必看：从使用场景了解GCD新API
浅析iOS应用开发中线程间的通信与线程安全问题