并发编程之Operation Queue和GCD
来源:互联网 发布:network connect mac 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 15:22
转自http://blog.xcodev.com/blog/2013/10/28/operation-queue-intro/
并发编程之Operation Queue
随着移动设备的更新换代,移动设备的性能也不断提高,现在流行的CPU已经进入双核、甚至四核时代。如何充分发挥这些CPU的性能,会变得越来越重要。在iOS中如果想要充分利用多核心CPU的优势,就要采用并发编程,提高CPU的利用率。iOS中并发编程中主要有2种方式Operation Queue和GCD(Grand Central Dispatch)。下面就来先来说一下Operation Queue。
异步调用和并发
在深入之前,首先说说异步调用和并发。这两个概念在并发编程中很容易弄混淆。异步调用是指调用时无需等待结果返回的调用,异步调用往往会触发后台线程处理,比如NSURLConnection的异步网络回调。并发是指多个任务(线程)同时执行。在异步调用的实现中往往采用并发机制,然而并不是所有异步都是并发机制,也有可能是其他机制,比如一些依靠中断进行的操作。
为什么Operation Queue
Operation Queue提供一个面向对象的并发编程接口,支持并发数,线程优先级,任务优先级,任务依赖关系等多种配置,可以方便满足各种复杂的多任务处理场景。
1.面向对象接口
2.支持并发数配置
3.任务优先级调度
4.任务依赖关系
5.线程优先级配置
NSOperation简介
iOS并发编程中,把每个并发任务定义为一个Operation,对应的类名是NSOperation。NSOperation是一个抽象类,无法直接使用,它只定义了Operation的一些基本方法。我们需要创建一个继承于它的子类或者使用系统预定义的子类。目前系统预定义了两个子类:NSInvocationOperation和NSBlockOperation。
NSInvocationOperation
NSInvoationOperation是一个基于对象和selector的Operation,使用这个你只需要指定对象以及任务的selector,如果必要,你还可以设定传递的对象参数。
- NSInvocationOperation *invacationOperation = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(doSomethingWithObj:) object:obj];
同时当这个Operation完成后,你还可以获取Operation中Invation执行后返回的结果对象。
- id result = [invacationOperation result];
NSBlockOperation
在一个Block中执行一个任务,这时我们就需要用到NSBlockOperation。可以通过blockOperationWithBlock:方法来方便地创建一个NSBlockOperation:
- NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
- //Do something here.
- }];
运行一个Operation
调用Operation的start方法就可以直接运行一个Operation。
- [operation start];
start方法用来启动一个Operation任务。同时,Operation提供一个main方法,你的所有任务都应该在main中进行处理。默认的start方法中会先做出一些异常判断然后直接调用main方法。如果需要自定义一个NSOperation必须重载main方法来执行你所想要执行的任务。
- @implementation CustomOperation
- -(void)main {
- @try {
- // Do some work.
- }
- @catch(...) {
- // Exception handle.
- }
- }
- @end
取消一个Operation
要取消一个Operation,要向Operation对象发送cancel消息:
- [operation cancel];
当向一个Operation对象发送cancel消息后,并不保证这个Operation对象一定能立刻取消,这取决于你的main中对cancel的处理。如果你在main方法中没有对cancel进行任何处理的话,发送cancel消息是没有任何效果的。为了让Operation响应cancel消息,那么你就要在main方法中一些适当的地方手动的判断isCancelled属性,如果返回YES的话,应释放相关资源并立刻停止继续执行。
创建可并发的Operation
由于默认情况下Operation的start方法中直接调用了main方法,而main方法中会有比较耗时的处理任务。如果我们在一段代码连续start了多个Operation,这些Operation都是阻塞地依次执行完,因为第二个Operation必须等到第一个Operation执行完start内的main并返回。Operation默认都是不可并发的(使用了Operation Queue情况下除外,Operation Queue会独自管理自己的线程),因为默认情况下Operation并不额外创建线程。我们可以通过Operation的isConcurrent方法来判断Operation是否是可并发的。如果要让Operation可并发,我们需要让main在独立的线程中执行,并将isConcurrent返回YES。
- @implementation MyOperation{
- BOOL executing;
- BOOL finished;
- }
- - (BOOL)isConcurrent {
- return YES;
- }
- - (void)start {
- if ([self isCancelled])
- {
- [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
- finished = YES;
- [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];
- return;
- }
- [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];
- [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(main) toTarget:self withObject:nil];
- executing = YES;
- [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
- }
- - (void)main {
- @try {
- // Do some work.
- [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
- [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];
- executing = NO;
- finished = YES;
- [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
- [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];
- }
- @catch(...) {
- // Exception handle.
- }
- }
- @end
当你自定义了start或main方法时,一定要手动的调用一些KVO通知方法,以便让对象的KVO机制可以正常运作。
设置Operation的completionBlock
每个Operation都可以设置一个completionBlock,在Operation执行完成时自动执行这个Block。我们可以在此进行一些完成的处理。completionBlock实现原理是对Operation的isFinnshed字段进行KVO(Key-Value Observing),当监听到isFinnished变成YES时,就执行completionBlock。
- operation.completionBlock = ^{
- NSLog(@"finished");
- };
设置Operation的线程优先级
我们可以为Operation设置一个线程优先级,即threadPriority。那么执行main的时候,线程优先级就会调整到所设置的线程优先级。这个默认值是0.5,我们可以在Operation执行前修改它。
- operation.threadPriority = 0.1;
注意:如果你重载的start方法,那么你需要自己来配置main执行时的线程优先级和threadPriority字段保持一致。
Operation状态变化
我们可以通过KVO机制来监听Operation的一下状态改变,比如一个Operation的执行状态或完成状态。这些状态的keypath包括以下几个:
- isCancelled
- isConcurrent
- isExecuting
- isFinished
- isReady
- dependencies
- queuePriority
- completionBlock
NSOperationQueue
NSOperationQueue是一个Operation执行队列,你可以将任何你想要执行的Operation添加到Operation Queue中,以在队列中执行。同时Operation和Operation Queue提供了很多可配置选项。Operation Queue的实现中,创建了一个或多个可管理的线程,为队列中的Operation提供可高度自定的执行环境。
Operation的依赖关系
有时候我们对任务的执行顺序有要求,一个任务必须在另一个任务执行之前完成,这就需要用到Operation的依赖(Dependency)属性。我们可以为每个Operation设定一些依赖的另外一些Operation,那么如果依赖的Operation没有全部执行完毕,这个Operation就不会被执行。
- [operation addDependency:anotherOperation];
- [operation removeDependency:anotherOperation];
如果将这些Operation和它所依赖的Operation加如队列中,那么Operation只有在它依赖的Operation都执行完毕后才可以被执行。这样我们就可以方便的控制Operation执行顺序。
Operation在队列中执行的优先级
Operation在队列中默认是按FIFO(First In First Out)顺序执行的。同时我们可以为单个的Operation设置一个执行的优先级,打乱这个顺序。当Queue有空闲资源执行新的Operation时,会优先执行当前队列中优先级最高的待执行Operation。
最大并发Operation数目
在一个Operation Queue中是可以同时执行多个Operation的,Operation Queue会动态的创建多个线程来完成相应Operation。具体的线程数是由Operation Queue来优化配置的,这一般取决与系统CPU的性能,比如CPU的核心数,和CPU的负载。但我们还是可以设置一个最大并发数的,那么Operation Queue就不会创建超过最大并发数量的线程。
- NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
- queue.maxConcurrentOperationCount = 1;
如果我们将maxConcurrentOperationCount设置为1,那么在队列中每次只能执行一个任务。这就是一个串行的执行队列了。
Simple Code
下面我写了一个简单的Simple Code来说明一下Operation和Operation Queue。
- NSBlockOperation *operation5s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
- NSLog(@"operation5s begin");
- sleep(5);
- NSLog(@"operation5s end");
- }];
- operation5s.queuePriority = NSOperationQueuePriorityHigh;
- NSBlockOperation *operation1s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
- NSLog(@"operation1s begin");
- sleep(1);
- NSLog(@"operation1s end");
- }];
- NSBlockOperation *operation2s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
- NSLog(@"operation2s begin");
- sleep(2);
- NSLog(@"operation2s end");
- }];
- operation1s.completionBlock = ^{
- NSLog(@"operation1s finished in completionBlock");
- };
- NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
- queue.maxConcurrentOperationCount = 1;
- [queue addOperation:operation1s];
- [queue addOperation:operation2s];
- [queue addOperation:operation5s];
- [queue waitUntilAllOperationsAreFinished];
运行这段代码,我得到了一下输出结果:
- operation1s begin
- operation1s end
- operation5s begin
- operation1s finished in completionBlock
- operation5s end
- operation2s begin
- operation2s end
为了更好的展示队列优先级效果,我把queue的maxConcurrentOperationCount设置为1,以便任务一个一个的执行。从上面日志可以看出,第一个operation1s执行完毕后,会执行operation5s,而不是operation2s,因为operation5s的queuePriority是NSOperationQueuePriorityHigh。而第一个线程总是会第一个执行。在看看2-4行,我们可以看出operation1s的completionBlock比operation5s晚开始执行,说明它不在operation1s的线程中执行的。正如前面所说,completionBlock是通过KVO监听执行,一般会运行在监听所在线程,而不是Operation执行的线程。
注意事项
当一个Operation被加入Queue中后,请不要对这个Operation再进行任何修改。因为一旦加入Queue,它随时就有可能会被执行,对它的任何修改都有可能导致它的运行状态不可控制。
threadPriority仅仅影响了main执行时的线程优先级,其他的方法包括completionBlock都是以默认的优先级来执行的。如果自定义的话,也要注意在main执行前设置好threadPriority,执行完毕后要还原默认线程优先级。
经测试,Operation的threadPriority字段只有在Operation单独执行时有效,在Operation Queue中是无效的。
第一个加入到Operation Queue中的Operation,无论它的优先级有多么低,总是会第一个执行。
并发编程之GCD
在《并发编程之Operation Queue》中讲了Cocoa并发编程中的Operation Queue,了解了Operation Queue是一个面向对象的并发编程接口,它支持并发数,线程优先级,任务优先级,任务依赖关系等多种配置,可以方便满足各种复杂的多任务处理场景。本篇将接着讲另一种并发编程机制 – GCD(Grand Central Dispatch)。iOS4.0中首度引入GCD,GCD是管理任务执行的一项技术,它使得我们对多任务处理变得更加方便和有效。它支持同步或异步任务处理,串行或并行的处理队列(Dispath Queue),非系统调用的信号量机制,定时任务处理,进程、文件或网络的监听任务等。这个庞大的任务处理技术大大减少了线程的管理工作,使基于任务的开发变得更加高效。
Dispatch Queue
Dispatch Queue是一个任务执行队列,可以让你异步或同步地执行多个Block或函数。Dispatch Queue是FIFO的,即先入队的任务总会先执行。目前有三种类型的Dispath Queue:
1.串行队列(Serial>"com.example.MyQueue", NULL); dispatch_queue_create第一个参数是串行队列标识,一般用反转域名的格式表示以防冲突;第二个参数是queue的类型,设为NULL时默认是DISPATCH_QUEUE_SERIAL,将创建串行队列,在必要情况下,你可以将其设置为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT来创建自定义并行队列。 并行队列 并行队列可以同时处理多个任务,在不得以的情况下可以用dispatch_queue_create创建,但一般我们都要用系统预定义的并行队列,即全局队列(Global Concurrent Dispatch Queues)。目前系统预定义了四个不同运行优先级的全局队列,我们可以通过dispatch_get_global_queue来获取它们。 dispatch_get_global_queue第一个参数是队列的优先级,分别对应四个全局队列: DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND dispatch_get_global_queue中第二个参数目前系统保留,请设置为0即可。 主队列 主队列是一个特殊的队列,它是系统预定义的运行在主线程的一个Dispatch Queue。可以通过dispatch_get_main_queue来获取唯一的主队列。主队列一般运行一些需要与主线程同步的一些短时任务。 获取当前队列 你可以通过dispatch_get_current_queue获取运行时的队列: 如果在队列执行任务中调用,返回执行此任务的队列;如果在主线程中调用,将返回主队列;如果在一般线程(非主线程线程非队列执行任务)中调用,返回DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT全局队列。 在队列中运行任务 你可以随时向一个队列中添加一个新任务,只需要调用一下dispatch_async即可: dispatch_async中的任务是异步执行的,就是说dispatch_async添加任务到执行队列后会立刻返回,而不会等待任务执行完成。然而,必要的话,你也可以调用dispatch_sync来同步的执行一个任务: dispatch_sync会阻塞当前线程直到提交的任务完全执行完毕。 Dispatch Queue的内存管理 除了系统预定义的Dispatch Queue,我们自定义的Dispatch Queue需要手动的管理它的内存。dispatch_retain和dispatch_release这两个函数可以控制Dispatch Queue的引用计数(同时可以控制后面会讲到的Dispatch Group和Dispatch Source的引用计数)。当Dispatch Queue引用计数变为0后,就会调用finalizer,finalizer是Dispatch Queue销毁前调用的函数,用来清理Dispatch Queue的相关资源。可以用dispatch_set_finalizer_f函数来设置Dispatch Queue的finalizer,这个函数同时可以设置Dispatch Group和Dispatch Source的销毁函数(后面会讲到)。 Dispatch Queue的上下文环境数据 我们可以为每个Dispatch Queue设置一个自定义的上下文环境数据,调用dispatch_set_context来实现。同时我们也可以用dispatch_get_context获取这个上下文环境数据,这个函数同时可以设置Dispatch Group和Dispatch Source的上下文环境数据(后面会讲到)。 注意Dispatch Queue并不保证这个context不会释放,不会对它进行内存管理控制。我们需要自行管理context的内存分配和释放。一般我们非配内存设置context后,可以在finalizer里释放context占有的内存。 并行执行循环 在编程过程中,我们经常会用到for循环,而且for循环要做很多相关的任务。比如: 如果for循环中处理的任务是可并发的,显然放到一个线程中处理是很慢的,GCD提供两个函数dispatch_apply和dispatch_apply_f,dispatch_apply是用于Block的,而dispatch_apply_f可以用于c函数,它们可以替代可并发的for循环,来并行的运行而提高执行效率。 Dispatch Group 有时候我们进行下一步操作,而这个操作需要等待几个任务处理完毕后才能继续,这时我们就需要用的Dispatch Group(类似thread join)。我们可以把若干个任务放到一个Dispatch Group中: dispatch_group_async跟dispatch_async一样,会把任务放到queue中执行,不过它比dispatch_async多做了一步操作就是把这个任务和group相关联。 把一些任务放到Dispatch Group后,我们就可以调用dispatch_group_wait来等待这些任务完成。若任务已经全部完成或为空,则直接返回,否则等待所有任务完成后返回。注意:返回后group会清空。 Dispatch信号量 很多程序设计都设计到信号量,生产者-消费者模型在多线程编程中会频繁的使用。GCD提供了自己的一套信号量机制。 dispatch_semaphore_wait用来获取信号量,若信号量为0,则等待直到信号量大于0。在处理任务结束后,应释放相关资源并调用dispatch_semaphore_signal使信号量增加1个。 Dispatch Source Dispatch Source是GCD中监听一些系统事件的有个Dispatch对象,它包括定时器、文件监听、进程监听、Mach> dispatch_after和dispatch_after_f 有时候我们只想处理一次延迟任务,可以用dispatch_after和dispatch_after_f 监听文件事件 监听文件事件分好几个类型,有读、写、属性的监听。 读取文件 写文件 监听文件属性 监听进程事件 监听中断信号 参考文献 Dispatch Queues:https://developer.apple.com/library/mac/documentation/general/conceptual/concurrencyprogrammingguide/OperationQueues/OperationQueues.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008091-CH102-SW1 Dispatch Sources:https://developer.apple.com/library/mac/documentation/general/conceptual/concurrencyprogrammingguide/GCDWorkQueues/GCDWorkQueues.html