iOS开发基础36-多线程之GCD

在现代 iOS 开发中，利用多核处理器来提升应用的性能和响应速度是至关重要的。苹果公司推出的 GCD（Grand Central Dispatch），提供了一套强大的并发编程框架，使得开发者能够轻松实现多线程操作。本文将详细介绍 GCD 的基本概念、任务和队列、执行任务的方式、队列的创建、线程间通信、以及其他高级用法及单例模式的实现。

一、基本概念

1. 简介

什么是 GCD

GCD，全称 Grand Central Dispatch，可译为“牛逼的中枢调度器”。它是一套基于 C 语言的底层 API，提供了非常多强大的函数，用来处理并发任务的分发和执行。

GCD 的优势

• 多核优化：GCD 自动利用设备的多核 CPU（如双核、四核等）。
• 线程管理：GCD 自动管理线程的生命周期，包括创建、调度和销毁线程。
• 简化代码：开发者只需定义需要执行的任务，并将其添加到相应的队列，无需编写复杂的线程管理代码。

2. 任务和队列

GCD 中有两个核心概念：任务和队列。

• 任务：具体执行的操作。
• 队列：用于存放任务。

GCD 的使用通常分为两个步骤：

1. 定制任务：确定需要执行的操作。
2. 将任务添加到队列中：GCD 会按照 FIFO 原则自动将队列中的任务取出，并放到对应的线程中执行。

二、执行任务

1. 执行任务的函数

同步执行任务

dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

• queue：队列
• block：任务

异步执行任务

dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

同步和异步的区别

• 同步：只能在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力。
• 异步：可以在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力。

2. 栅栏函数

dispatch_barrier_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

• 栅栏函数会在前面的任务执行完毕后执行其内部任务，然后再执行其后的任务。
• 栅栏函数必须和普通任务在同一个串行或并发队列中执行，不能用于全局并发队列。

3. 队列的类型

• 并发队列（Concurrent Dispatch Queue）：可以让多个任务并发（同时）执行。
• 串行队列（Serial Dispatch Queue）：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务。

4. 容易混淆的术语

• 同步 vs 异步：影响是否能开启新线程。
• 并发 vs 串行：影响任务执行方式。

三、创建队列

1. 并发队列

通过 dispatch_queue_create 函数创建并发队列：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

2. 全局并发队列

使用 dispatch_get_global_queue 函数获取全局并发队列：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

全局并发队列在 iOS 8 以后使用服务质量（QoS）来决定优先级：

• QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE：用户交互，优先级最高
• QOS_CLASS_USER_INITIATED：用户需要
• QOS_CLASS_DEFAULT：默认优先级
• QOS_CLASS_UTILITY：工具类，适合耗时操作
• QOS_CLASS_BACKGROUND：后台

3. 串行队列

通过 dispatch_queue_create 函数创建串行队列：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.serialQueue", NULL); // 或者 DISPATCH_QUEUE_SERIAL

主队列（主线程相关）：它是 GCD 自带的一种特殊串行队列，任务在主线程中执行：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();

四、线程间通信

从子线程回到主线程：

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 处理耗时操作
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        // 回到主线程，执行UI刷新操作
    });
});

五、其他用法

1. 延时执行

使用 GCD

dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 2 秒后执行的代码
});

2. 一次性执行

保证某段代码在程序运行期间只被执行一次：

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    // 这里的代码只会执行一次
});

3. 快速迭代

使用 dispatch_apply 进行快速迭代：

dispatch_apply(10, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^(size_t index){
    // 迭代任务，这段代码会执行 10 次
});

4. 队列组

先分别异步执行两个耗时操作，然后再执行一个回到主线程的操作：

dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 第一个耗时操作
});

dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 第二个耗时操作
});

dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 等到上面两个异步操作都执行完毕后，执行这里的代码
});

六、单例模式

1. 单例模式的作用和使用场合

在程序运行期间，单例模式保证某个类只有一个实例，并且该实例可以方便地被访问，常用于共享一份资源。

2. ARC 中单例模式的实现

定义一个全局的 static 实例

static id _instance;

重写 allocWithZone 方法

+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [super allocWithZone:zone];
    });
    return _instance;
}

提供一个类方法访问实例

+ (instancetype)sharedInstance
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [[self alloc] init];
    });
    return _instance;
}

实现 copyWithZone 方法

- (id)copyWithZone:(struct _NSZone *)zone
{
    return _instance;
}

结语

GCD 是 iOS 开发中强大的并发编程工具。通过合理使用 GCD，开发者可以充分利用设备的多核 CPU 提升应用性能，同时简化线程管理逻辑。