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[操作系统]对GCD的一些理解和实践


GCD

  GCD,全程Grand Central Dispatch,是苹果为了多核并行提出的解决方案。它是使用C语言实现,但是由于用了block来处理回调,所以使用起来十分方便。并且GCD会自动管理线程的生命周期,不需要我们去管理。

任务和队列

  GCD中有两个重要的概念,任务和队列。

  1、任务,就是我们想要处理的事情,任务可以分为同步执行和异步执行:

  同步(sync):使用dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block) 创建,同步执行任务时会阻塞当前线程等待block执行完毕返回。然后当前线程才会继续执行下去。

  异步(async):使用dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block)创建,异步任务不会阻塞当前线程,任务创建后立即返回线程往下执行。

  2、队列,存放任务,并将任务由先入先出地派发出去。分为串行队列和并行队列:

  串行队列(Serial queue):队列中的任务根据创建顺序,先入先出地执行,等待上一个任务执行完毕后,才会执行下一个任务,有严格的执行先后顺序。

  并行队列(Concurrent queue):队列会根据先后顺序,将任务派发出去,并行执行。所有的任务几乎都是一起执行的。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。有一个表,可以大体说明任务和队列之间的配合使用:

 串行队列并行队列
同步执行任务当前线程,一个一个执行当前线程,一个一个执行
异步执行任务另开线程,一个一个执行开很多线程,一起执行

  下面是任务和队列的使用演示:

  

/**   * 串行队列中的任务会等待正在执行的任务执行结束,排队执行   */  dispatch_queue_t serial_queue = dispatch_queue_create("serial.queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);  //主队列  dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();    /**   * 并行,不等待正在执行的任务的处理结果,可以并发执行多个任务   */  dispatch_queue_t concurrent_queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);    //全局队列  dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);    //在串行队列中创建几个同步任务,在主线程顺序执行  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task a ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task b ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task c ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });    //在串行队列中创建几个异步任务,在主线程顺序执行  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task aa ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task bb ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_sync(serial_queue, ^{    NSLog(@"task cc ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });    //在串行队列中创建几个异步任务,另开1个线程顺序执行  dispatch_async(serial_queue, ^{    NSLog(@"task 1 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_async(serial_queue, ^{    NSLog(@"task 1 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_async(serial_queue, ^{    NSLog(@"task 1 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });    //在并队列中创建几个异步任务,另开多个线程同时执行  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    NSLog(@"task 11 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    NSLog(@"task 22 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    NSLog(@"task 33 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);  });

 

任务组和栅栏

  有时候当我们想要为多个任务添加依赖关系的时候,就可以使用任务组dispatch_group和dispatch_barrier。

  任务组是将若干个任务放在一个group 中,这些任务可以在同一队列也可以在不同队列,然后用dispatch_group_notify()和dispatch_group_wait()对任务组中任务的完成进行处理。

1、dispatch_group_notify()中的任务会在group中多有任务执行完毕后执行

dispatch_group_t group = dispatch_group_create();    /**   * group中所有任务任务执行完毕后,执行dispatch_group_notify中的任务   */  dispatch_group_async(group, serial_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"serial_queue1");  });  dispatch_group_async(group, serial_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"serial_queue2");  });  dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"concurrent_queue1");  });    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{    NSLog(@"return main queue");  });

 

2、dispatch_group_wait()中可传入一个给定时间,如果在等待时间结束前group所有任务执行完毕则返回0,否则返回非0,这个函数是一个同步任务

  /**   * dispatch_group_wait给定一个时间,如果在等待时间结束前group所有任务执行完毕则返回0,否则返回非0,这个函数是一个同步任务   */  dispatch_group_async(group, serial_queue, ^{    sleep(3);    NSLog(@"serial_queue1");  });  dispatch_group_async(group, serial_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"serial_queue2");  });  dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{    sleep(3);    NSLog(@"concurrent_queue1");  });  long i = dispatch_group_wait(group, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, NSEC_PER_SEC * 6));  NSLog(@"-- %ld --",i);  dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{    NSLog(@"finish all");  });

 

3、可以使用dispatch_group_enter()和dispatch_group_leave()来添加任务组的任务,两者必须要成对出现,两个函数之间的代码便是要加入任务住的任务

/**   * 使用dispatch_group_enter和dispatch_group_leave添加组任务,两者必须要成对出现   */  dispatch_group_enter(group);  sleep(2);  NSLog(@"1");  dispatch_group_leave(group);    dispatch_group_enter(group);  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    sleep(3);    NSLog(@"2");    dispatch_group_leave(group);  });    dispatch_group_enter(group);  sleep(2);  NSLog(@"3");  dispatch_group_leave(group);    long i = dispatch_group_wait(group, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, NSEC_PER_SEC * 6));  NSLog(@"-- %ld --",i);  dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{    NSLog(@"finish all");  });

 

  栅栏是将一个队列中的任务分割成两部分,在栅栏任务之前添加的任务全部执行完毕后,单独执行栅栏任务,执行完毕后,再继续执行后面的任务。栅栏必须单独执行,不能与其他任务并发执行,因此,栅栏只对并发队列有意义。栅栏只有等待当前队列所有并发任务都执行完毕后,才会单独执行,待其执行完毕,再按照正常的方式继续向下执行。

dispatch_queue_t concurrent_queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);    dispatch_async(concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"1");  });  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"2");  });  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"3");  });    dispatch_barrier_async(concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"barrier");  });  dispatch_async(concurrent_queue, ^{    sleep(2);    NSLog(@"finish1");  });    dispatch_async(concurrent_queue, ^{    NSLog(@"finish2");  });

 

重复执行dispatchApply 和 单次执行dispatch_once

  dispatch_apply()是将一个任务提交到队列中重复执行,并行或者串行由队列决定,dispatch_apply会阻塞当前线程,等到所有任务完成后返回

dispatch_queue_t concurrent_queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);  dispatch_apply(5, concurrent_queue, ^(size_t index) {    sleep(1);    NSLog(@"index:%zu",index);  });  NSLog(@"finish");

  dispatch_once()确保block内代码在整个应用运行期间只执行一次

//确保block内代码在整个应用运行期间只执行一次  static dispatch_once_t onceToken;  dispatch_once(&onceToken, ^{    NSLog(@"just run once in application");  });

线程同步、信号量和线程死锁  

  多线程处理经常需要考虑到资源抢占的问题,比如经典的购票问题,写数据库等问题。处理问题的办法有很多,下面介绍最简单的两种做法:加上同步锁,或者用信号量来解决。

  同步锁,每当有线程访问锁里的资源时,会将此部分锁住,拒绝其他线程访问。直到占用的线程推出后才解锁,允许其他资源访问。

//同步锁,对block内的代码加锁,同一时间内只允许一个线程访问  @synchronized(self) {    NSLog(@"lock");  };

  信号量dispatch_semaphore,一开始设置信号的总量,然后用dispatch_semaphore_wait()和dispatch_semaphore_signal()来管理信号量,达到控制线程访问的目的

//信号量dispatch_semaphore  dispatch_group_t group = dispatch_group_create();    //设置总信号量  dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(10);  for (int i = 0; i<100; i++) {    //设置等待信号,如果此时信号量大于0,那么信号量减一并继续往下执行    //如果此时信号量小于0,会一直等待,直到超时    //如果超时返回非零,成功执行返回0    dispatch_semaphore_wait(semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, NSEC_PER_SEC*50));        dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{      sleep(1);      NSLog(@"%d",i);      //发送信号,让信号量加一      dispatch_semaphore_signal(semaphore);    });  }    dispatch_group_notify(group, concurrent_queue, ^{    NSLog(@"finish");  });

  

  GCD尽管使用起来非常方便,但是如果使用不当也活造成一些麻烦,下面列举几个会造成线程死锁的场合:

//在并行队列中,在当前队列调用dispatch_sync,并传入当前队列执行,并不会造成deadlock。dispatch_sync会阻塞当前线程,但是由于队列是并行执行,所以block中的任务会马上执行后返回。- (void)syncAndConcurrentQueue {  dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);  dispatch_sync(queue, ^{        NSLog(@"Jump to concurrent.queue! ,thread:%@",[NSThread currentThread]);    dispatch_sync(queue, ^{      sleep(3);      NSLog(@"success6 ,thread:%@",[NSThread currentThread]);    });     NSLog(@"return");  });}//在串行队列中,在当前队列调用dispatch_sync,并传入当前队列执行,会造成deadlock。 dispatch_sync会阻塞当前线程,等待block中的任务执行完之后再继续执行,但是由于队列是串行执行,block中的任务放在最后,所以永远没有机会执行,线程死锁- (void)synAndSerialQueue {    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("serial.queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);  dispatch_async(queue, ^{    NSLog(@"Jump to serial.queue!");        dispatch_sync(queue, ^{      NSLog(@"success");    });    NSLog(@"return");  });}//任务1会阻塞主线程,直到block中执行完毕返回,任务二在主线程添加了了一个同步任务,阻塞当前线程,知道任务执行完毕返回,而任务2没有机会被执行。造成两条线程死锁。- (void)recycle {    dispatch_queue_t concurrent_queue = dispatch_queue_create("concurrent.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);    //任务1  dispatch_sync(concurrent_queue, ^{        NSLog(@"jump to concurrent queue");        //任务2    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{            NSLog(@"return main queue");    });      });}

 

 

总结

  以上是使用GCD的一些心得,GCD使用起来尽管十分便利,但是在处理一些场景比如取消任务时候会很麻烦,所以实现简单功能的时候推荐使用GCD,如果功能复杂的话建议使用NSOperation和NSOperationQueue,NSOperationQueue的底层也是由GCD实现的,完全面向对象,所以使用起来更好理解。下次有空讲讲NSOperation和NSOperationQueue。以上代码demo地址:https://github.com/GarenChen/GCDDemo