iOS多線程深入解析

必要的概念

進(jìn)程/線程

進(jìn)程：進(jìn)程指在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的，是一個能獨立運行的活動實體。

線程：線程是進(jìn)程的基本執(zhí)行單元，一個進(jìn)程（程序）的所有任務(wù)都在線程中執(zhí)行。

操作系統(tǒng)引入進(jìn)程的目的：為了使多個程序能并發(fā)執(zhí)行，以提高資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。

操作系統(tǒng)引入線程的目的：在操作系統(tǒng)中再引入線程，則是為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使OS具有更好的并發(fā)性。多線程技術(shù)可以提高程序的執(zhí)行效率。

在引入線程的OS中，通常把進(jìn)程作為資源分配的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。

同步/異步

同步：多個任務(wù)情況下，一個任務(wù)A執(zhí)行結(jié)束，才可以執(zhí)行另一個任務(wù)B。

異步：多個任務(wù)情況下，一個任務(wù)A正在執(zhí)行，同時可以執(zhí)行另一個任務(wù)B。任務(wù)B不用等待任務(wù)A結(jié)束才執(zhí)行。存在多條線程。

并行/并發(fā)

并行：指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。多核CUP同時開啟多條線程供多個任務(wù)同時執(zhí)行，互不干擾。

并發(fā)：指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生?？梢栽谀硹l線程和其他線程之間反復(fù)多次進(jìn)行上下文切換，看上去就好像一個CPU能夠并且執(zhí)行多個線程一樣。其實是偽異步。

線程間通信

在1個進(jìn)程中，線程往往不是孤立存在的，多個線程之間需要經(jīng)常進(jìn)行通信

線程間通信的體現(xiàn)：

1個線程傳遞數(shù)據(jù)給另1個線程
在1個線程中執(zhí)行完特定任務(wù)后，轉(zhuǎn)到另1個線程繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)

多線程概念

多線程是指在軟件或硬件上實現(xiàn)多個線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。通俗講就是在同步或異步的情況下，開辟新線程，進(jìn)行線程間的切換，以及對線程進(jìn)行合理的調(diào)度，做到優(yōu)化提升程序性能的目的。

多線程的優(yōu)點

能適當(dāng)提高程序的執(zhí)行效率
能適當(dāng)提高資源利用率（CPU、內(nèi)存利用率）
避免在處理耗時任務(wù)時造成主線程阻塞

多線程的缺點

開啟線程需要占用一定的內(nèi)存空間，如果開啟大量的線程，會占用大量的內(nèi)存空間，降低程序的性能
線程越多，CPU在調(diào)度線程上的開銷就越大
可能會導(dǎo)致多個線程相互持續(xù)等待[死鎖]
程序設(shè)計更加復(fù)雜：比如線程之間的通信、多線程之間的數(shù)據(jù)競爭

GCD（Grand Central Dispatch）

Dispatch會自動的根據(jù)CPU的使用情況，創(chuàng)建線程來執(zhí)行任務(wù)，并且自動的運行到多核上，提高程序的運行效率。對于開發(fā)者來說，在GCD層面是沒有線程的概念的，只有隊列（queue）。任務(wù)都是以block的方式提交到隊列上，然后GCD會自動的創(chuàng)建線程池去執(zhí)行這些任務(wù)。

GCD的優(yōu)點：

GCD是蘋果公司為多核的并行運算提出的解決方案
GCD會自動利用更多的CPU內(nèi)核（比如雙核、四核）
GCD會自動管理線程的生命周期（創(chuàng)建線程、調(diào)度任務(wù)、銷毀線程）
程序員只需要告訴GCD想要執(zhí)行什么任務(wù)，不需要編寫任何線程管理代碼

GCD中有兩個核心概念

任務(wù) block：執(zhí)行什么操作

隊列 queue：用來存放任務(wù)

GCD的使用就兩個步驟

定制任務(wù)，確定想做的事情
將任務(wù)添加到隊列中，GCD會自動將隊列中的任務(wù)取出，放到對應(yīng)的線程中執(zhí)行。任務(wù)的取出遵循隊列的FIFO原則：先進(jìn)先出，后進(jìn)后出。

GCD中有兩個執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)

同步執(zhí)行任務(wù)（sync）
```
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block); 
```
同步任務(wù)會阻塞當(dāng)前線程，然后把Block中的任務(wù)放到指定的隊列中執(zhí)行，只有等到Block中的任務(wù)完成后才會讓當(dāng)前線程繼續(xù)往下運行。

sync是一個強大但是容易被忽視的函數(shù)。使用sync，可以方便的進(jìn)行線程間同步。但是，有一點要注意，sync容易造成死鎖。

異步執(zhí)行任務(wù)（async）
```
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
```
異步任務(wù)會再開辟一個線程，當(dāng)前線程繼續(xù)往下走，新線程去執(zhí)行block里的任務(wù)。

GCD的隊列可以分為兩大類型

并行隊列（Concurrent Dispatch Queue）：
- 可以讓多個任務(wù)并發(fā)（同時）執(zhí)行（自動開啟多個線程同時執(zhí)行任務(wù)）
- 并行功能只有在異步（dispatch_async）函數(shù)下才有效
放到并行隊列的任務(wù)，如果是異步執(zhí)行，GCD也會FIFO的取出來，但不同的是，它取出來一個就會放到別的線程，然后再取出來一個又放到另一個的線程。這樣由于取的動作很快，忽略不計，看起來，所有的任務(wù)都是一起執(zhí)行的。不過需要注意，GCD會根據(jù)系統(tǒng)資源控制并行的數(shù)量，所以如果任務(wù)很多，它并不會讓所有任務(wù)同時執(zhí)行。

串行隊列（Serial Dispatch Queue）：

讓任務(wù)一個接著一個地執(zhí)行（一個任務(wù)執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行下一個任務(wù)）

	同步執(zhí)行	異步執(zhí)行
串行隊列	當(dāng)前線程，一個一個執(zhí)行	其他線程，一個一個執(zhí)行
并發(fā)隊列	當(dāng)前線程，一個一個執(zhí)行	開很多線程，一起執(zhí)行

Swift4 GCD 使用

DispatchQueue

最簡單的，可以按照以下方式初始化一個隊列

//這里的名字能夠方便開發(fā)者進(jìn)行Debug
let queue = DispatchQueue(label: "com.geselle.demoQueue")

這樣初始化的隊列是一個默認(rèn)配置的隊列，也可以顯式的指明對列的其他屬性

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)

這里，我們來一個參數(shù)分析他們的作用

label：隊列的標(biāo)識符，方便調(diào)試
qos：隊列的quality of service。用來指明隊列的“重要性”，后文會詳細(xì)講到。
attributes：隊列的屬性。類型是DispatchQueue.Attributes,是一個結(jié)構(gòu)體，遵循了協(xié)議OptionSet。意味著你可以這樣傳入第一個參數(shù)[.option1,.option2]。
- 默認(rèn)：隊列是串行的。
- .concurrent：隊列為并行的。
- .initiallyInactive：則隊列任務(wù)不會自動執(zhí)行，需要開發(fā)者手動觸發(fā)。
autoreleaseFrequency：顧名思義，自動釋放頻率。有些隊列是會在執(zhí)行完任務(wù)后自動釋放的，有些比如Timer等是不會自動釋放的，是需要手動釋放。

隊列分類

系統(tǒng)創(chuàng)建的隊列
- 主隊列（對應(yīng)主線程）
- 全局隊列
用戶創(chuàng)建的隊列

// 獲取系統(tǒng)隊列
let mainQueue = DispatchQueue.main
let globalQueue = DispatchQueue.global()
let globalQueueWithQos = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)

// 創(chuàng)建串行隊列
let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.serialQueue")

// 創(chuàng)建并行隊列
let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.concurrentQueue",attributes:.concurrent)

// 創(chuàng)建并行隊列，并手動觸發(fā)
let concurrentQueue2 = DispatchQueue(label:"com.geselle.concurrentQueue2", qos: .utility,attributes[.concurrent,.initiallyInactive]) 
//手動觸發(fā)
if let queue = inactiveQueue {
    queue.activate()
}

suspend / resume

Suspend可以掛起一個線程，就是把這個線程暫停了，它占著資源，但不運行。

Resume可以繼續(xù)掛起的線程，讓這個線程繼續(xù)執(zhí)行下去。

concurrentQueue.resume()
concurrentQueue.suspend(）

QoS（quality of service）

QoS的全稱是quality of service。在Swift 3中，它是一個結(jié)構(gòu)體，用來制定隊列或者任務(wù)的重要性。

何為重要性呢？就是當(dāng)資源有限的時候，優(yōu)先執(zhí)行哪些任務(wù)。這些優(yōu)先級包括 CPU 時間，數(shù)據(jù) IO 等等，也包括 ipad muiti tasking（兩個App同時在前臺運行）。

通常使用`QoS`為以下四種，從上到下優(yōu)先級依次降低。

User Interactive：和用戶交互相關(guān)，比如動畫等等優(yōu)先級最高。比如用戶連續(xù)拖拽的計算
User Initiated：需要立刻的結(jié)果，比如push一個ViewController之前的數(shù)據(jù)計算
Utility：可以執(zhí)行很長時間，再通知用戶結(jié)果。比如下載一個文件，給用戶下載進(jìn)度。
Background：用戶不可見，比如在后臺存儲大量數(shù)據(jù)

通常，你需要問自己以下幾個問題

這個任務(wù)是用戶可見的嗎？
這個任務(wù)和用戶交互有關(guān)嗎？
這個任務(wù)的執(zhí)行時間有多少？
這個任務(wù)的最終結(jié)果和UI有關(guān)系嗎？

在GCD中，指定QoS有以下兩種方式

方式一：創(chuàng)建一個指定QoS的queue

let backgroundQueue = DispatchQueue(label: "com.geselle.backgroundQueue", qos: .background)
backgroundQueue.async {
    //在QoS為background下運行
}

方式二：在提交block的時候，指定QoS

queue.async(qos: .background) {
    //在QoS為background下運行
}

DispatchGroup

DispatchGroup用來管理一組任務(wù)的執(zhí)行，然后監(jiān)聽任務(wù)都完成的事件。比如，多個網(wǎng)絡(luò)請求同時發(fā)出去，等網(wǎng)絡(luò)請求都完成后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會等group里的所有任務(wù)全部完成以后才會執(zhí)行（不管是同步任務(wù)還是異步任務(wù)）。

Group.enter / Group.leave

/*
 首先寫一個函數(shù)，模擬異步網(wǎng)絡(luò)請求
 
 這個函數(shù)有三個參數(shù)
 * label 表示id
 * cost 表示時間消耗
 * complete 表示任務(wù)完成后的回調(diào)

 */
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()
        }
    }
}

// 我們模擬兩個耗時2秒和4秒的網(wǎng)絡(luò)請求

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支持阻塞當(dāng)前線程，等待執(zhí)行結(jié)果。

//在這個點，等待三秒鐘
group.wait(timeout:.now() + .seconds(3))

DispatchWorkItem

上文提到的方式，我們都是以block（或者叫閉包）的形式提交任務(wù)。DispatchWorkItem則把任務(wù)封裝成了一個對象。

比如，你可以這么使用

let item = DispatchWorkItem { 
    //任務(wù)
}
DispatchQueue.global().async(execute: item)

也可以在初始化的時候指定更多的參數(shù)

let item = DispatchWorkItem(qos: .userInitiated, flags: [.enforceQoS,.assignCurrentContext]) { 
    //任務(wù)
}

* 第一個參數(shù)表示 QoS。
* 第二個參數(shù)類型為 DispatchWorkItemFlags。指定這個任務(wù)的配飾信息
* 第三個參數(shù)則是實際的任務(wù) block

DispatchWorkItemFlags的參數(shù)分為兩組

執(zhí)行情況
- barrier
- detached
- assignCurrentContext
QoS覆蓋信息
- noQoS //沒有 QoS
- inheritQoS //繼承 Queue 的 QoS
- enforceQoS //自己的 QoS 覆蓋 Queue

after（延遲執(zhí)行）

GCD可以通過asyncAfter來提交一個延遲執(zhí)行的任務(wù)

比如

let deadline = DispatchTime.now() + 2.0
print("Start")
DispatchQueue.global().asyncAfter(deadline: deadline) { 
    print("End")
}

延遲執(zhí)行還支持一種模式DispatchWallTime

let walltime = DispatchWallTime.now() + 2.0
print("Start")
DispatchQueue.global().asyncAfter(wallDeadline: walltime) { 
    print("End")
}

這里的區(qū)別就是

DispatchTime 的精度是納秒
DispatchWallTime 的精度是微秒

Synchronization 同步

通常，在多線程同時會對一個變量(比如NSMutableArray)進(jìn)行讀寫的時候，我們需要考慮到線程的同步。舉個例子：比如線程一在對NSMutableArray進(jìn)行addObject的時候，線程二如果也想addObject,那么它必須等到線程一執(zhí)行完畢后才可以執(zhí)行。

實現(xiàn)這種同步有很多種機制

NSLock 互斥鎖

let lock = NSLock()
lock.lock()
//Do something
lock.unlock()

使用鎖有一個不好的地方就是：lock和unlock要配對使用，不然極容易鎖住線程，沒有釋放掉。

sync 同步函數(shù)

使用GCD，隊列同步有另外一種方式- sync，講屬性的訪問同步到一個queue上去，就能保證在多線程同時訪問的時候，線程安全。

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 線程阻斷

假設(shè)我們有一個并發(fā)的隊列用來讀寫一個數(shù)據(jù)對象。如果這個隊列里的操作是讀的，那么可以多個同時進(jìn)行。如果有寫的操作，則必須保證在執(zhí)行寫入操作時，不會有讀取操作在執(zhí)行，必須等待寫入完成后才能讀取，否則就可能會出現(xiàn)讀到的數(shù)據(jù)不對。這個時候我們會用到 Barrier。

以barrier flag提交的任務(wù)能夠保證其在并行隊列執(zhí)行的時候，是唯一的一個任務(wù)。（只對自己創(chuàng)建的隊列有效，對gloablQueue無效）

我們寫個例子來看看效果

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

執(zhí)行的效果就是：barrier任務(wù)提交后，等待前面所有的任務(wù)都完成了才執(zhí)行自身。barrier任務(wù)執(zhí)行完了后，再執(zhí)行后續(xù)執(zhí)行的任務(wù)。

Semaphore 信號量

DispatchSemaphore是傳統(tǒng)計數(shù)信號量的封裝，用來控制資源被多任務(wù)訪問的情況。

簡單來說，如果我只有兩個usb端口，如果來了三個usb請求的話，那么第3個就要等待，等待有一個空出來的時候，第三個請求才會繼續(xù)執(zhí)行。

我們來模擬這一情況:

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上使用信號量要注意死鎖的問題。感興趣的同學(xué)可以把上述代碼的queue改成serial的，看看效果。

參考文章：

iOS多線程與GCD 你看我就夠了

GCD精講（Swift 3）

iOS多線程-各種線程鎖的簡單介紹

關(guān)于iOS多線程，你看我就夠了

IOS開發(fā)之多線程詳解

Swift 3必看：從使用場景了解GCD新API

淺析iOS應(yīng)用開發(fā)中線程間的通信與線程安全問題

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iOS多線程 Swift4 GCD深入解析

iOS多線程 Swift4 GCD深入解析

iOS多線程深入解析

必要的概念

進(jìn)程/線程

同步/異步

并行/并發(fā)

線程間通信

多線程概念

多線程的優(yōu)點

多線程的缺點

GCD（Grand Central Dispatch）

GCD的優(yōu)點：

GCD中有兩個核心概念

GCD的使用就兩個步驟

GCD中有兩個執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)

GCD的隊列可以分為兩大類型

Swift4 GCD 使用

DispatchQueue

隊列分類

suspend / resume

QoS（quality of service）

通常使用`QoS`為以下四種，從上到下優(yōu)先級依次降低。

通常，你需要問自己以下幾個問題

在GCD中，指定QoS有以下兩種方式

DispatchGroup

Group.enter / Group.leave

Group.wait

DispatchWorkItem

after（延遲執(zhí)行）

Synchronization 同步

NSLock 互斥鎖

sync 同步函數(shù)

Barrier 線程阻斷

Semaphore 信號量

參考文章：

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進(jìn)程/線程

同步/異步

并行/并發(fā)

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多線程的優(yōu)點

多線程的缺點

GCD（Grand Central Dispatch）

GCD的優(yōu)點：

GCD中有兩個核心概念

GCD的使用就兩個步驟

GCD中有兩個執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)

GCD的隊列可以分為兩大類型

Swift4 GCD 使用

DispatchQueue

隊列分類

suspend / resume

QoS（quality of service）

通常使用QoS為以下四種，從上到下優(yōu)先級依次降低。

通常，你需要問自己以下幾個問題

在GCD中，指定QoS有以下兩種方式

DispatchGroup

Group.enter / Group.leave

Group.wait

DispatchWorkItem

after（延遲執(zhí)行）

Synchronization 同步

NSLock 互斥鎖

sync 同步函數(shù)

Barrier 線程阻斷

Semaphore 信號量

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通常使用`QoS`為以下四種，從上到下優(yōu)先級依次降低。

通常，你需要問自己以下幾個問題

在GCD中，指定QoS有以下兩種方式