并发编程之Operation Queue和GCD

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 dispatch queue）

2.并发队列（Concurrent dispatch queue）

3.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：

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。

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。

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：

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：

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：

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_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）。

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）。

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：

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_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_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：

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_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_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。

dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create(RESOURCE_SIZE); dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER); //do some work here. dispatch_semaphore_signal(sema);

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 port监听等类型。

 

可以通过dispatch_source_create创建一个Dispatch Source：

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type。queue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_handler或dispatch_source_set_event_handler_f来设置：

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：

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。

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

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

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

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

 

监听文件属性

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);    // 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);   });    // 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);   });    // Start processing events.   dispatch_resume(source); } else   close(fd);

 

监听进程事件

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

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

 

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