iOS系統(tǒng)中多線程技術(shù)的研究

陳偉　卜慶凱

摘要：軟件在設(shè)計開發(fā)過程中，都會考慮同時執(zhí)行多個任務(wù)的能力，需要通過多線程的技術(shù)來實現(xiàn)。同樣在lOS系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件也需要具有并發(fā)執(zhí)行多個任務(wù)的能力。文章內(nèi)容從多線程的概率出發(fā)，主要介紹了iOS系統(tǒng)中使用最廣泛的三種多線程技術(shù)，即NSThread、GCD、NSOperation。并分別對三種技術(shù)的使用做了進一步的研究與說明，介紹了各個多線程技術(shù)在使用過程中的一些優(yōu)缺點，以及開發(fā)人員在實際應(yīng)用過程中需要注意的地方。對從事iOS軟件編程方面對多線程技術(shù)存在困惑的人具有一定的幫助和指導作用。

關(guān)鍵詞：iOS系統(tǒng)；多線程；NSThread；GCD；NSOperation

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）08-0078-03

1背景

目前，阻礙計算機性能充分發(fā)揮的主要因素是中心處理器的運行速度。在計算機技術(shù)快速發(fā)展的前提下，單核處理器已經(jīng)完全滿足不了我們?nèi)粘５氖褂眯枨?。在這種背景下，一些芯片制造商紛紛開始轉(zhuǎn)向多核處理器的設(shè)計，使計算機擁有同時執(zhí)行多個任務(wù)的能力。美國蘋果公司的iPhone手機近幾年如此之火爆，不僅是因為它漂亮的外表和豐富的軟件界面，更是因為它充分利用了多核處理器的核心優(yōu)勢。在任何時候都可以執(zhí)行系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)，而且應(yīng)用程序也可以通過使用多線程技術(shù)流暢的執(zhí)行多個任務(wù)，使得iPhone具有卓越的性能和優(yōu)秀的用戶體驗。通過使用多線程技術(shù)，可以讓比較耗時的操作放在子線程中執(zhí)行，保證主線程只需要執(zhí)行和用戶界面相關(guān)的操作，不會有一種界面很“卡”的感覺，確保軟件在使用過程中流暢性較好，增強了用戶體驗性能。

2多線程的介紹

2.1進程和線程

簡單點概況，進程就是計算機系統(tǒng)中正在運行的程序，是CPU分配資源的基本單位。進程與線程之間是相互獨立的概念，每一個進程只在受保護的專屬內(nèi)存空間內(nèi)運行，而且同一個進程內(nèi)的線程共享進程中的數(shù)據(jù)資源。比如我們在電腦上同時打開瀏覽器與音樂播放器，系統(tǒng)就會自動開啟兩個進程。

線程是CPU建立在進程基礎(chǔ)之上執(zhí)行任務(wù)的最小單位，且每個進程至少有一條主線程，進程中的所有任務(wù)都是在線程中執(zhí)行的。比如用瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁，播放器播放音樂，都需要在每個進程中的線程去執(zhí)行。每個線程中執(zhí)行任務(wù)的方式是串行的，即在同一時間只可能執(zhí)行一個任務(wù)。執(zhí)行多個任務(wù)時也只能按照任務(wù)的先后順序一個一個的執(zhí)行。在Mac和iOS系統(tǒng)中運行的應(yīng)用程序每多創(chuàng)建一個新的線程都需要占用512KB（主線程占用1MB）的內(nèi)存和消耗一定的CPU時間。

2.2多線程

多線程是指讓應(yīng)用程序的內(nèi)部多個線程并發(fā)執(zhí)行任務(wù)的一種能提高執(zhí)行效率與資源利用率的技術(shù)。同一時間段內(nèi)CPU只能處理一條線程上的任務(wù)，而多線程并發(fā)執(zhí)行的實質(zhì)是CPU快速地在多條線程之間的相互切換，如果線程調(diào)度的時間足夠快，就造成一種多線程并發(fā)執(zhí)行的假象用。如果一個應(yīng)用程序線程開的太多會消耗大量的CPU資源，降低程序的性能，每條線程的執(zhí)行頻率和效率也會大大地降低。

每個lOS應(yīng)用程序運行后，默認開啟一條主線程（或稱之為UI線程），其作用是顯示和刷新UI（User Interface/用戶界面），以及處理UI事件（比如點擊事件、滾動事件、拖拽事件等）。

3iOS系統(tǒng)中三種多線程技術(shù)

iOS系統(tǒng)中多線程技術(shù)的實現(xiàn)方案總共有四種，分別為Pthread、NSThread、GCD（Grand Central Dispatch）、NSOperation技術(shù)。Pthread技術(shù)由于其使用難度大等一系列的缺陷，目前在實際的APP開發(fā)過程中基本上不使用這種淘汰的技術(shù)。因此主要以介紹NSThread、GCD、NSOperation技術(shù)的研究為主。

3.1 NSThread多線程技術(shù)

NSThread是OS X和iOS系統(tǒng)中都提供的一個以輕量級實現(xiàn)的線程對象。NSThread適應(yīng)于一些輕量級較簡單的任務(wù)，不過用戶需要自己管理線程生命周期以及線程之間的同步。NSThread沒有涉及到線程狀態(tài)、依賴性、線程間的同步問題，當多個線程訪問同一份資源時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯亂的現(xiàn)象，這時我們又要使用互斥鎖來解決這個問題，而這又會消耗大量的CPU資源。

NSThread的初始化方法

3）動態(tài)方法

動態(tài)方法在初始化后，需要手動的調(diào)用strut方法才能開啟該線程的真正創(chuàng)建。

其中，target：selector消息發(fā)送的目標對象；selector：線程選擇調(diào)用的方法，最多只能接收一個參數(shù)；argument：傳給selector的唯一參數(shù)，也可以是nil。

4）靜態(tài)方法

5）隱式創(chuàng)建線程

靜態(tài)方法和隱式方法在代碼執(zhí)行后會默認開啟一條線程執(zhí)行任務(wù)。

3.2GCD多線程技術(shù)

GCD（Grand Center Dispatch）的實現(xiàn)是基于c語言的API。GCD是一個大的主題，負責自動創(chuàng)建管理線程的生命周期和調(diào)度執(zhí)行任務(wù)，提高代碼的執(zhí)行效率與多核的利用率。GCD的API很大程度上基于block，當配合block使用時，GCD能發(fā)揮其最大能力。通過使用GCD技術(shù)管理線程，工程師可以不需要再編寫線程代碼，只需要專注于在block或方法中編寫執(zhí)行某項功能的代碼。隊列這個概念為GCD的實現(xiàn)提供了方便，其實質(zhì)是將長期運行的任務(wù)拆分成多個工作單元，并將這些單元添加到dispath queue（調(diào)度隊列）中，系統(tǒng)會自動管理這些dispathqueue的生命周期以及任務(wù)的執(zhí)行，不需要我們手動管理后臺線程。而dispath queue也嚴格遵循FIFO（先進先出）原則，串行或并發(fā)地執(zhí)行任務(wù)。

1）獲得全局并發(fā)dispatch queue

并發(fā)dispateh queue可以同時并行的按照queue加入的先后順序執(zhí)行多個任務(wù)。系統(tǒng)通常會默認的提供三個全局享用的并發(fā)dispateh queue給每個應(yīng)用程序，三個queue的區(qū)別是優(yōu)先級的不同。這些queue不用顯式地創(chuàng)建，只需要通過dis-patch_get_global_queue函數(shù)就可以獲取到這三個queue。

圖4中第一個參數(shù)用于指定線程的優(yōu)先級，分別使用DIS-PATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH和D/SPATCH_QUEUE_PRI-ORITY_LOW兩個常量來獲取高和低優(yōu)先級的兩個queue；第二個參數(shù)默認0即可。

2）創(chuàng)建串行dispatch queue

創(chuàng)建方法：dispateh_queue_create（const char*_Nullable la-bel，dispatch_queue_attr_t_Nullable attr）；

函數(shù)的第一個參數(shù)是一個標簽，蘋果公司建議我們使用倒置域名來命名隊列，比如“com.apple.www”。第二個參數(shù)是隊列的類型，只能傳參數(shù)DISPATCH_QUEUE_SERIAL（串行隊列）和NULL，不能傳DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT（并發(fā)隊列）。串行隊列一次只能執(zhí)行一個任務(wù)，只有當前任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成才會啟動下一個任務(wù)的執(zhí)行；并發(fā)隊列則會盡可能多地啟動任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，并且只能在異步函數(shù)下有效。

3）添加任務(wù)到queue

異步函數(shù)：dispatch_async（dispatch_queue_t queue，dis-patch_block_t blockk

同步函數(shù)：dispatch_sync（dispatch_queue_t queue，DIS-PA TCH_NOESCAPE dispateh_block_t block）；

其中第一個參數(shù)表示已經(jīng)創(chuàng)建的隊列名稱，第二個參數(shù)是需要實現(xiàn)某些具體功能的代碼段（即block任務(wù)）。異步函數(shù)具備開啟新線程執(zhí)行任務(wù)的能力，在調(diào)用時會立即返回，同時隊列會在輪到這個block執(zhí)行時后臺異步執(zhí)行這個任務(wù)，這樣就可以調(diào)用線程繼續(xù)去做其它事情。而同步函數(shù)不具備開新線程的能力，在調(diào)用時會在當前線程等待block中的代碼執(zhí)行完成后返回，容易出現(xiàn)阻塞當前調(diào)用線程的現(xiàn)象，而在串行queue中會導致死鎖。

在傳統(tǒng)的多線程編程中，你可能有一個對象要被多個線程使用，這時候你需要一個互斥鎖來保護這個對象。然而在GCD中，用戶隊列完全可以替代互斥鎖來完成同步機制，就不可能意外寫出具有不成對Lock（鎖）的代碼。

3.3 NSOperation和NSOperationQueue

配合使用NSOperation和NSOperationQueue也能實現(xiàn)多線程的功能。NSOperation實例中已經(jīng)封裝好了開發(fā)過程中需要執(zhí)行的操作以及所需的數(shù)據(jù)，能夠以并發(fā)或非并發(fā)的方式執(zhí)行這個操作。NSOperation是一個抽象的基類，本身不具備把操作進行封裝的能力，必須使用它的子類才能實現(xiàn)。目前有三種可以使用NSOperation子類的方法，F(xiàn)oundation框架為我們提供了兩個具體子類直接供我們使用，即NShwocationOperation和NSBlockOperation方法；另外一個是自定義子類繼承自NSOper-ation，實現(xiàn)內(nèi)部相應(yīng)的方法實現(xiàn)。

1）創(chuàng)建NSInvocationOperation對象

創(chuàng)建方法：-（nullable instancetype）init WithTarget：（id）targetselector：（SEL）sel object：（nullable id）arg；

其中，三個參數(shù)分別表示目標對象、調(diào)用方法以及方法需要傳遞的參數(shù)。在使用時需要調(diào)用start方法開始執(zhí)行操作。默認情況下，調(diào)用start方法后并不會開一條新線程去執(zhí)行操作，而是在當前線程同步執(zhí)行操作，直到任務(wù)完成。如果想要中途取消操作，可以調(diào)用cancel方法。

上面是調(diào)用self均test方法，通過調(diào)用start方法開始執(zhí)行任務(wù)。

2）創(chuàng)建NSBlockOperation對象

創(chuàng)建方法：+（instancetype）blockOperationWithBlock：（void （^）（void））block；

這種方法能夠并發(fā)地執(zhí)行一個或多個block對象，所有相關(guān)的block都執(zhí)行完之后，操作才算完成。其次，通過調(diào)用ad-dExecutionBlock：方法可以添加更多的block操作。

圖7中首先創(chuàng)建了一個名稱為operation的NSBlockOpera-tion對象，通過addExecationBlock方法添加三個新的block操作，即NSBlockOperation封裝的操作數(shù)大于1，這樣可以使4個block操作并發(fā)的在不同線程中執(zhí)行。

NSOperation雖然可以調(diào)用start方法來執(zhí)行任務(wù)，但默認是同步執(zhí)行的，如果將NSOperation添加到NSOperationQueue（操作隊列）中，系統(tǒng)會自動異步執(zhí)行NSOperation中的操作。

對于上述NSlnvocationOperation和NSBlockOperation方法，我們需要創(chuàng)建一個NSOperationQueue對象，將封裝好操作代碼的NSOperation對象添加到NSOperationQueue中，系統(tǒng)會自動將NSOperationQueue中的NSOperation對象提取出來，然后將NSOperation封裝的操作放到一條新線程中執(zhí)行。

3）自定義NSOperation對象

如果NShwocationOperation和NSBlockOperation對象不能滿足我們的任務(wù)需求，可以自定義一個直接繼承自NSOperation的對象，并在其中添加任何想要的方法。

圖8中的CHWOperation是我們自定義的繼承自NSOpera-tion的對象，在定義非并發(fā)的NSOperation對象只需要重載-（Void）main方法，在這個方法里面添加執(zhí)行主任務(wù)的代碼，并正確地響應(yīng)任務(wù)取消事件；對于并發(fā)NSOperation，需要重寫NSOperation的多個基本方法進行實現(xiàn)。

4）其他相關(guān)用法

有時，僅僅依靠這些方法并不能滿足我們的需求，所以我們需要通過其他方法使任務(wù)更加合理有序的執(zhí)行。通過-（NSInte-ger）maxConcurrentOperationCount方法，可以設(shè)置同時執(zhí)行任務(wù)的最大并發(fā)數(shù)。當隊列有取消、暫停、恢復需求時，調(diào)用-（void）cancelAllOperatious方法取消所有隊列正在執(zhí)行的任務(wù)，-（void）cancel方法取消單個隊列操作，而NSOperation對象會定期地調(diào)用isCancelled方法檢測操作是否已經(jīng)被取消，這種方法本身非常輕量即使是頻繁地調(diào)用也不會產(chǎn)生比較大的性能損失；設(shè)置Suspended方法的BOOL值，YES表示暫停，NO表示取消。

NSOperation之間還可以設(shè)置依賴來保證任務(wù)的執(zhí)行順序，比如要讓操作B在操作A完成之后再執(zhí)行，可以設(shè)置[opera-tionB addDependency：operationA]，即操作B依賴于操作A。同樣在不同queue之間的NSOperation也可以創(chuàng)建依賴關(guān)系。不過值得我們注意的是任何兩個操作之間不能相互依賴。

4結(jié)束語

根據(jù)在iOS開發(fā)學習過程中出現(xiàn)的問難，本文詳細討論了iOS系統(tǒng)中三種多線程技術(shù)的使用，對于在iOS編程中對多線程有疑問的開發(fā)者具有一定的幫助作用。而通過對三種多線程技術(shù)的研究比較，在實際的開發(fā)過程中，開發(fā)者應(yīng)該盡可能的少用需要人工管理生命周期的NSThread技術(shù)，轉(zhuǎn)而使用具有自動管理生命周期功能的GCD和NSOperation多線程技術(shù)。此外，iOS系統(tǒng)目前已經(jīng)更新到了iOS10，以后技術(shù)還會不斷提高，目前的多線程技術(shù)也肯定滿足不了以后的軟件需求。所以，開發(fā)人員需要不斷提高自身的技術(shù)能力，結(jié)合Apple公司提供的方法，研究出更加完善的多線程技術(shù)，以此來推動lOS系統(tǒng)的不斷發(fā)展。