《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:

  • 串行队列(Serial dispatch queue)
  • 并发队列(Concurrent dispatch queue)
  • 主队列(Main dispatch queue)

串行队列

串行队列一次只能处理一个任务,可以由用户调用dispatch_queue_create创建:

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dispatch_queue_t queue;
queue = dispatch_queue_create("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。

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dispatch_queue_t aQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

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。

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dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

获取当前队列

你可以通过dispatch_get_current_queue获取运行时的队列:

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dispatch_queue_t currentQueue = dispatch_get_current_queue();

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:

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dispatch_async(aQueue, ^{
//Do some work;
});

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:

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dispatch_sync(aQueue, ^{
//Do some work;
});

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_retaindispatch_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)。

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void dispatch_set_finalizer_f(dispatch_object_t object, dispatch_function_t finalizer);

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)。

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void dispatch_set_context(dispatch_object_t object,void *context);
void * dispatch_get_context(dispatch_object_t object);

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:

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for (i = 0; i < count; i++) {
//do a lot of work here.
doSomething(i);
}

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_applydispatch_apply_fdispatch_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。

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dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i) {
//do a lot of work here.
doSomething(i);
});

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:

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dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_group_async(group, queue, ^{
// Some asynchronous work
});

dispatch_group_asyncdispatch_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。

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dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// Do some work after.
dispatch_release(group);

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。

信号量就是一些有限可数资源。比如打印机,假如系统有2台打印机,但同时有5个任务要使用打印机,那么只能有2个任务能同时进行打印,剩下3个要等待这2个任务打印完。那么程序工作过程应该是:任务首先获取打印机资源(dispatch_semaphore_wait),如果没有打印机可用了就要等待,直到其他任务用完这个打印机。当任务获取到打印机,就开始执行打印任务。任务用完打印机工作后,就必须把占用打印机释放(dispatch_semaphore_signal),以便其他任务可以接着打印。

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//创建资源的信号量,只创建一次,比如2台打印机,那么RESOURCE_SIZE为2.
dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create(RESOURCE_SIZE);
//如果任务使用一个资源时,使用前调用dispatch_semaphore_wait,用完后dispatch_semaphore_signal。
//下面的代码可能在多个线程中调用多次
dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
//do some work here. the work will use one resource.
dispatch_semaphore_signal(sema);

信号量必须在资源使用之前调用dispatch_semaphore_create创建,而且只创建一次,RESOURCE_SIZE是可用资源的总数。使用资源时dispatch_semaphore_wait将资源的可用数减少一个,如果当前没有可用资源了,将会等待直到其他线程回收资源,即调用dispatch_semaphore_signal让可用资源增加。用完资源后调用dispatch_semaphore_signal回收可利用资源,资源可用数将增加一个。

如果是生产者-消费者模型的话,RESOURCE_SIZE可能最初为0,那么生产者将调用dispatch_semaphore_signal来产生一个单位的资源,消费者调用dispatch_semaphore_wait来消费(减少)一个单位的资源。当资源不足时,消费者会一直等待到资源数大于0,即生产者生成新的资源。

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 port监听等类型。

可以通过dispatch_source_create创建一个Dispatch Source:

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dispatch_source_t dispatch_source_create(
dispatch_source_type_t type,
uintptr_t handle,
unsigned long mask,
dispatch_queue_t queue);

这里可以指定Dispatch Source的类型,type可以为文件读或写、进程监听等。handle为监听对象的句柄,如果是文件就是文件描述符,如果是进程就是进程ID。mask用来指定一些想要监听的事件,它的意义取决于typequeue指定事件处理的任务队列。

创建好Dispatch Source后,我们要为Dispatch Source设置一个事件处理模块。可以用dispatch_source_set_event_handlerdispatch_source_set_event_handler_f来设置:

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void dispatch_source_set_event_handler(
dispatch_source_t source,
dispatch_block_t handler);

设置好Dispatch Source后就可以调用dispatch_resume来启动监听。如果相应的事件发生就会触发事件处理模块。

同时我们也可以设置一个取消处理模块:

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dispatch_source_set_cancel_handler(mySource, ^{
close(fd); // Close a file descriptor opened earlier.
});

取消处理模块会在Dispatch Source取消时调用。

下面介绍一下主要的Dispatch Source类型和示例代码。

定时器

定时器Dispatch Source可以每隔一个固定的时间处理一下任务。

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dispatch_source_t CreateDispatchTimer(uint64_t interval,
uint64_t leeway,
dispatch_queue_t queue,
dispatch_block_t block)
{
dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER,
0, 0, queue);
if (timer)
{
dispatch_source_set_timer(timer, dispatch_walltime(NULL, 0), interval, leeway);
dispatch_source_set_event_handler(timer, block);
dispatch_resume(timer);
}
return timer;
}
void MyCreateTimer()
{
dispatch_source_t aTimer = CreateDispatchTimer(30ull * NSEC_PER_SEC,
1ull * NSEC_PER_SEC,
dispatch_get_main_queue(),
^{ MyPeriodicTask(); });
// Store it somewhere for later use.
if (aTimer)
{
MyStoreTimer(aTimer);
}
}

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

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void dispatch_after(
dispatch_time_t when,
dispatch_queue_t queue,
dispatch_block_t block);

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

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dispatch_source_t source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ, fd, 0, queue);
dispatch_source_set_event_handler(source, ^{
// Get some data from the source variable, which is captured
// from the parent context.
size_t estimated = dispatch_source_get_data(source);
// Continue reading the descriptor...
});
dispatch_resume(source);

写文件

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dispatch_source_t writeSource = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_WRITE,
fd, 0, queue);
if (!writeSource)
{
close(fd);
return NULL;
}
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dispatch_source_set_event_handler(writeSource, ^{
size_t bufferSize = MyGetDataSize();
void* buffer = malloc(bufferSize);
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size_t actual = MyGetData(buffer, bufferSize);
write(fd, buffer, actual);
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free(buffer);
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// Cancel and release the dispatch source when done.
dispatch_source_cancel(writeSource);
});

监听文件属性

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dispatch_source_t source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_VNODE,
fd, DISPATCH_VNODE_RENAME, queue);
if (source)
{
// Copy the filename for later use.
int length = strlen(filename);
char* newString = (char*)malloc(length + 1);
newString = strcpy(newString, filename);
dispatch_set_context(source, newString);
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// Install the event handler to process the name change
dispatch_source_set_event_handler(source, ^{
const char* oldFilename = (char*)dispatch_get_context(source);
MyUpdateFileName(oldFilename, fd);
});
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// Install a cancellation handler to free the descriptor
// and the stored string.
dispatch_source_set_cancel_handler(source, ^{
char* fileStr = (char*)dispatch_get_context(source);
free(fileStr);
close(fd);
});
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// Start processing events.
dispatch_resume(source);
}
else
close(fd);

监听进程事件

DISPATCH_PROC_EXIT是一个监听进程退出的类型。

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dispatch_source_t source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_PROC,
parentPID, DISPATCH_PROC_EXIT, queue);
if (source)
{
dispatch_source_set_event_handler(source, ^{
MySetAppExitFlag();
dispatch_source_cancel(source);
dispatch_release(source);
});
dispatch_resume(source);
}

监听中断信号

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dispatch_source_t source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_SIGNAL, SIGHUP, 0, queue);
if (source)
{
dispatch_source_set_event_handler(source, ^{
MyProcessSIGHUP();
});
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// Start processing signals
dispatch_resume(source);
}

参考文献