iOS并发程序设计中几种方法的特点及使用技巧研究

李岚

摘要：如今移动设备已经进入了多核心CPU 时代，并且随着时间的推移，CPU 的核心数只会增加不会减少。作为软件开发者需要尽可能地提高应用的并发性，充分利用多核心CPU 的性能。iOS是由苹果公司开发的移动操作系统，在 iOS 开发中，主要通过 Dispatch Queues 、Dispatch Sources和Operation Queues 来提高应用的并发性。该文对针对这三种工具的使用方法及技巧进行了研究，总结出提高多线程编程的效率的方法。

关键词：iOS ；并发程序；多线程

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0083-02

iOS是苹果公司开发的移动操作系统，随着苹果电子产品的风靡世界，iOS版本的不断更新，“果粉”们对新应用的需求量日益增加，越来越多的程序员选择加入到iOS应用开发的行列中。 在如今多核心CPU时代，如何提高所开发应用的并发性，充分利用多核心CPU，是软件开发者需要思考的问题。

Grand Central Dispatch （GCD）是苹果公司开发的一个多核编程的解决方法。该方法的需要在iOS4.0以上的版本中使用。

Dispatch Queues、Dispatch Source 和Operation Queue是iOS中的多线程编程中通常使用的三种方法，开发过程通过使用它们可以提高应用的并发性。因为它们都能“自动地”解决在什么时间、何种系统可用资源条件下建立及维护线程的支持工作。同时，向程序员隐藏了线程这个名称，并以工作队列这样抽象的对象，使得并发程序更加方便实现。其中Dispatch Queues和Dispatch Source两种方法是基于GCD的。下面依次介绍三种方法的使用特点及技巧。

1 Dispatch Queue的使用

Dispatch Queue作为对象，接受任务，将任务以先进先出的顺序执行。并且它还有着编程简单、能够提供线程池的管理、节约内存空间的使用、不trap内核、无死锁、在顺序的队列中比直接加锁同步的执行速度快等一系列的优点。

Dispatch Queue可以并发执行任务，也能够串行执行任务。并发任务只要是在队列中的工作，都会被陆续地扔在各个Thread中去执行，它们之间相互独立，不需要等待其中一个结束了，再由队列扔出一个新的任务到Thread上去执行，而且是同时在各个Thread中各自执行。串行任务则意味着在这个队列中的各种操作，需要“一个一个”地按顺序进行执行，下一个任务需要等待上一个任务执行结束后，才会进入执行。

1.1 Dispatch Queue中队列的三种分类

Dispatch Queue中队列的队列分为顺序队列、并发队列和Main dispatch queue三种。

所谓顺序队列即是在一个queue中，每次仅1个任务在执行。

并发队列即是在一个queue中，每次多于1个任务在执行，而这个多的数量由queue自己决定，它是根据相应的系统资源来决定的，资源多则数量多，资源少则数量少。

main dispatch queue，它是一个顺序的队列，它在main thread上执行，程序员也可以称main thread为”程序同步关键点“。

1.2 某些关键的“优点”

1）如果通过线程编程，其中2个线程上的task，都去访问共享资源。通过使用lock来进行线程的同步，额外的会造成相应的内核中断。而相应的，对于Dispatch Queue而言，可以使用顺序的queue来进行处理，从而提高效率。

2）多个Dispatch Queue的之间是并发的执行的，若是顺序的话，单个Dispatch Queue之内是顺序的。

3）Dispatch Queue会根据系统状况来选择create thread的数目，不会无限制扩张。

1.3 block的问题

1）block看上去像函数指针，其实它是一个基本的数据结构对象，由编译器建立和管理。

2）block可以访问其父作用域上的变量，如果不加__block，则是把这个变量拷贝到block自身的堆内存空间上。

3）block不要去使用父作用域上的指针变量，这些指针指向的对象的生命周期是由caller来决定的。也就是说，block不要引用一个野指针。

4）queue会copy一个block到其中，当block执行完毕，它会做release的处理。

1.4 queue 需要release的问题

全局的queue，不需要retain和release。自己create的queue，需要release。

1.5 queue的自身的context的设定

每一个queue都可以设定用户自定义的context数据，可以通过调用dispatch_set_context（queue，contextdata）设置context数据，通过dispatch_set_finalizer_f来设定怎样释放其对应queue的contextdata的函数指针。

1.6 dispatch group

dispatch group是一个lock的方法，可以lock一个或一系列task完成的条件，使得后续代码要等待某task执行完毕后，再继续执行。

1.7 线程安全

1）对于Dispatch Queue自身来说，线程是安全的。

2）不要在同一个queue中，调用dispatch_sync函数，如果这样调用，将会出现死锁的现象。例如：在a中同步调用b，结果b的block一直等待a的资源，而b不执行完毕，a是没办法继续向下执行

2 Dispatch Source的使用

Dispatch Source是GCD的一部分，是用于事件响应的队列。用于监听系统push上来的timer、 signal以及各种event，一旦发生，立即把关联的block对象扔到Dispatch Queue上执行。

2.1 创建Dispatch Source

需要创建事件源和Dispatch Source本身。事件源是处理事件所需要的native数据结构，例如基于描述符的Dispatch Source，你需要打开描述符；基于进程的事件，你需要获得目标程序的进程ID。

然后可以如下创建相应的Dispatch Source：

使用dispatch_source_create 函数创建Dispatch Source

配置Dispatch Source：

为Dispatch Source设置一个事件处理器

对于定时器源，使用 dispatch_source_set_timer 函数设置定时器信息

为Dispatch Source赋予一个取消处理器（可选）调用 dispatch_resume 函数开始处理事件由于Dispatch Source必须进行额外的配置才能被使用，dispatch_source_create 函数返回的Dispatch Source将处于挂起状态。此时Dispatch Source会接收事件，但是不会进行处理。这时候你可以安装事件处理器，并执行额外的配置。

2.2 编写和安装一个事件处理器

需要定义一个事件处理器来处理事件，可以是函数或block对象，并使用 dispatch_source_set_event_handler 或 dispatch_source_set_event_handler_f 安装事件处理器。事件到达时，Dispatch Source会提交你的事件处理器到指定的Dispatch Queue，由queue执行事件处理器。

事件处理器的代码负责处理所有到达的事件。如果事件处理器已经在queue中并等待处理已经到达的事件，如果此时又来了一个新事件，Dispatch Source会合并这两个事件。事件处理器通常只能看到最新事件的信息，不过某些类型的Dispatch Source也能获得已经发生以及合并的事件信息。

如果事件处理器已经开始执行，一个或多个新事件到达，Dispatch Source会保留这些事件，直到前面的事件处理器完成执行。然后以新事件再次提交处理器到queue。

函数事件处理器有一个context指针指向Dispatch Source对象，没有返回值。Block事件处理器没有参数，也没有返回值。

3 Operation Queue的使用

Operation Queue的实现机制，是使用NSOperationQueue和NSOperation来完成的。

通常，Operation Queue中的执行对象是NSOperation类的子类的对象（NSOperation类是抽象的）。

相对于Dispatch Queue的FIFO而言，这里的顺序，依赖于NSOperation之间的依赖性来选择执行顺序的。因而它是按照一定顺序来执行的，并且是并发抛出的。

4 结论

4.1 使用并发、多线程几种情况

1）把任务进行分解，如果子任务之间的行为是相互独立的，那么可以确认在子任务之间可以是多线程执行的。

2）如果子任务之间相互存在依赖关系。例如：下一个子任务的输出必须通过上一个子任务的输入来获取，则最好不用并发异步。

3）独立的子任务确认后，就根据顺序还是并发的需求，塞入相应的group就好。

4）对于operation object而言，如果要设计成顺序执行的情况，就必须要设置任务之间的依赖，如果用block，就在Dispatch Queue中设置顺序即可，其他默认并发。

4.2 提高多线程编程效率的技巧：

1）尽量不要让共享资源lock住线程的并发。尽量使用线程的局部value来代替共享资源。变成可重入。

2）禁止使用lock。如果并发需要lock来同步，那么尽量使用serial queue来进行队列的方式来设计软件架构。但是注意，如果iOS的一些回调函数，或者通知函数，打回来时就是开启新线程，那么就要考虑对new Thread进行加入lock了。但是这是自己没法控制的时候，这样做的，如果代码部分是可以自己控制的，则尽量禁止使用lock机制，或者信号量。如果同时建立1k个operation对象，然后提交到operation queue中，那么会引起不断的内存换页。

参考文献：

[1] Rob Napier，Mugunth Kumar .iOS编程实战[M]. 美团移动，译.北京： 人民邮电出版社，2014.

[2] 关东升. iOS开发指南：从零基础到App Store上架[M].2版. 北京：人民邮电出版社，2014.

[3] Kazuki Sakamoto， Tomohiko Furumoto . Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理[M].黎华，译. 北京：人民邮电出版社，2013.

[4] Erica Sadun ，iOS Auto Layout Demystified ，Second Edition[M]. 2nd ed，Addison-Wesley Educational Publishers Inc， 2013.