為什么需要并發(fā)編程？GCD如何執(zhí)行并發(fā)/并行？

為什么需要并發(fā)

假設(shè)您在主線程上并且需要來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)。您從服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)并等待，直到您從服務(wù)器獲得響應(yīng)。在此期間，您的主線程不會(huì)執(zhí)行任何與 UI 相關(guān)的工作，這會(huì)使您的應(yīng)用程序無(wú)響應(yīng)。

假設(shè)服務(wù)器在此期間需要 10 秒才能給出響應(yīng)，如果用戶(hù)點(diǎn)擊按鈕，系統(tǒng)將不會(huì)響應(yīng)它，這對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)非常糟糕。

如果你可以在同一時(shí)間（或大約在同一時(shí)間）運(yùn)行的這兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)線程專(zhuān)門(mén)處理用戶(hù)界面相關(guān)的工作，其他的線程處理耗時(shí)任務(wù)。這樣一來(lái)，上面的情況就不會(huì)發(fā)生了。

并發(fā)

并發(fā)意味值應(yīng)用程序可以使用分割時(shí)間的方式同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)只有一個(gè)CPU，那么它無(wú)法在一個(gè)精確的時(shí)間點(diǎn)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，但是可以通過(guò)上下文切換的方式在一段時(shí)間（很短，比如1s）內(nèi)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

上下文切換是指存儲(chǔ)線程的狀態(tài)，并在將來(lái)恢復(fù)這個(gè)狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。這允許多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)CPU資源，同時(shí)這也是多任務(wù)操作系統(tǒng)的基本功能。

并行

并行指多個(gè)任務(wù)同時(shí)發(fā)生，并沒(méi)有上下文切換。

對(duì)于我們討論的情況，如果并行地執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，那么將有兩個(gè)線程在兩個(gè)不同的內(nèi)核上執(zhí)行主線程和后臺(tái)指令，與前一個(gè)相比，速度非常快，但需要額外的物理要求-需要CPU有多核。

如下圖所示，在并行的情況下，兩條線程真的在同時(shí)執(zhí)行；而并發(fā)，在一個(gè)線程執(zhí)行時(shí)，另一個(gè)在休眠。

關(guān)于線程的小知識(shí)

在單核CPU上，如果你創(chuàng)建了10條線程，那么它只能使用并發(fā)/時(shí)間片分割/上下文切換的方式執(zhí)行它們

在10核CPU上，如果你創(chuàng)建了10條線程，那么它們可能以下面的方式執(zhí)行：

使用上下文切換的方式在1個(gè)核心上并發(fā)執(zhí)行

每個(gè)線程在獨(dú)立的核心上并行執(zhí)行

一部分并發(fā)執(zhí)行，另外一部分并行執(zhí)行

在單核CPU上，如果你創(chuàng)建了1000條線程，那么CPU只會(huì)忙著上下文切換，而不會(huì)執(zhí)行實(shí)質(zhì)性的任務(wù)?？梢?jiàn)，創(chuàng)建合理的線程數(shù)量也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

GCD 如何執(zhí)行并發(fā)/并行

GCD 在幕后管理共享線程池并在該池中添加最佳線程數(shù)。使用 GCD，您將代碼塊或工作項(xiàng)添加到隊(duì)列中，GCD 決定在哪個(gè)線程上執(zhí)行它們。GCD 根據(jù)系統(tǒng)物理?xiàng)l件或當(dāng)前負(fù)載并發(fā)或并行執(zhí)行此任務(wù)。

注意：如果你給 GCD 分配兩個(gè)任務(wù)，你不確定它是并發(fā)還是并行運(yùn)行。

從現(xiàn)在開(kāi)始，我們將使用術(shù)語(yǔ)并發(fā)代表并發(fā)/并行。

使用GCD，開(kāi)發(fā)者有什么責(zé)任

您所要做的就是定義要并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)并將它們添加到適當(dāng)?shù)恼{(diào)度隊(duì)列中。GCD 負(fù)責(zé)創(chuàng)建所需的線程并安排您的任務(wù)在這些線程上運(yùn)行，這非?？?/p>

調(diào)度隊(duì)列

調(diào)度隊(duì)列是一種基于 C 的組件，用于執(zhí)行自定義任務(wù)。調(diào)度隊(duì)列總是按照任務(wù)添加到隊(duì)列的順序出列和啟動(dòng)任務(wù)。調(diào)度隊(duì)列是線程安全的，這意味著您可以同時(shí)從多個(gè)線程訪問(wèn)它們。注意，隊(duì)列不是線程！

如果您想通過(guò) GCD 執(zhí)行并發(fā)任務(wù)，請(qǐng)將它們添加到適當(dāng)?shù)恼{(diào)度隊(duì)列中。GCD 將基于隊(duì)列的配置，挑選并執(zhí)行任務(wù)。

串行隊(duì)列

串行調(diào)度隊(duì)列按照添加到隊(duì)列的順序一次執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)。假設(shè)您將五個(gè)任務(wù)添加到串行隊(duì)列， GCD 將從第一個(gè)任務(wù)開(kāi)始，在它執(zhí)行完成之前，第二個(gè)任務(wù)將不會(huì)開(kāi)始。

串行隊(duì)列通常用于同步對(duì)特定資源的訪問(wèn)。假設(shè)您有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用都需要 10 秒，因此您決定將這兩個(gè)任務(wù)移到某些后臺(tái)線程上，而且它們都在訪問(wèn)相同的資源，您想要進(jìn)行一些同步，您可以將這些任務(wù)放在串行隊(duì)列中。

串行隊(duì)列串行執(zhí)行任務(wù)意味著一次只有一個(gè)線程在使用，但不能保證它們?cè)谕痪€程上執(zhí)行。

您可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建任意數(shù)量的串行隊(duì)列，并且每個(gè)隊(duì)列相對(duì)于所有其他隊(duì)列同時(shí)運(yùn)行。換句話說(shuō)，如果您創(chuàng)建四個(gè)串行隊(duì)列，則每個(gè)隊(duì)列一次僅執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，但最多仍可以同時(shí)執(zhí)行四個(gè)任務(wù)，每個(gè)隊(duì)列一個(gè)。

如果您有兩個(gè)任務(wù)訪問(wèn)相同的共享資源，但他們?cè)诓煌木€程上運(yùn)行，則任一線程都可以先修改資源，您需要使用鎖來(lái)確保兩個(gè)任務(wù)不會(huì)同時(shí)修改該資源。您可以將兩個(gè)任務(wù)添加到串行調(diào)度隊(duì)列，以確保在任何給定時(shí)間只有一個(gè)任務(wù)修改共享資源。這種基于隊(duì)列的同步比鎖更有效，因?yàn)樵谟懈?jìng)爭(zhēng)和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下，鎖總是需要一個(gè)昂貴的內(nèi)核陷阱，而調(diào)度隊(duì)列主要在應(yīng)用程序的進(jìn)程空間中工作，并且只在絕對(duì)必要時(shí)調(diào)用內(nèi)核。

并發(fā)隊(duì)列

并發(fā)隊(duì)列并發(fā)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)任務(wù)

如果您將四個(gè)單獨(dú)的任務(wù)添加到并發(fā)隊(duì)列，這些任務(wù)將按照它們添加到隊(duì)列的順序啟動(dòng)。GCD 選擇第一個(gè)任務(wù)在一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行它，然后在不等待第一個(gè)任務(wù)完成的情況下啟動(dòng)第二個(gè)任務(wù)，依此類(lèi)推。這是理想的地方，這不僅可以真正地做到后臺(tái)執(zhí)行，而且不關(guān)心這些任務(wù)是否也與其他任務(wù)同時(shí)運(yùn)行

當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)在由調(diào)度隊(duì)列管理的不同線程上運(yùn)行。

在任何時(shí)間點(diǎn)，執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量是可變的，這取決于系統(tǒng)條件。當(dāng)您創(chuàng)建具有四個(gè)任務(wù)的并發(fā)隊(duì)列時(shí)，它會(huì)創(chuàng)建多少個(gè)線程？答案是不確定。GCD 將使用多少個(gè)線程來(lái)執(zhí)行這些任務(wù)，這取決于系統(tǒng)條件，它有可能可以使用一條或四條線程。

在 GCD 中，有兩種方法可以同時(shí)運(yùn)行任務(wù)，創(chuàng)建自定義并發(fā)隊(duì)列或使用全局并發(fā)隊(duì)列。

自定義和全局并發(fā)隊(duì)列的區(qū)別

如下圖所示，我們創(chuàng)建了兩個(gè)全局并發(fā)隊(duì)列，您可以看到由于全局隊(duì)列是整個(gè)系統(tǒng)共享的并發(fā)隊(duì)列，因此它始終返回相同的隊(duì)列；而自定義并發(fā)隊(duì)列是私有的，每次創(chuàng)建時(shí)都會(huì)返回新隊(duì)列。

有四個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的全局并發(fā)隊(duì)列，但在設(shè)置全局并發(fā)隊(duì)列時(shí)，不直接指定優(yōu)先級(jí)。

相反，您指定服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，其中包括用戶(hù)交互、用戶(hù)啟動(dòng)、實(shí)用程序和后臺(tái)，其中用戶(hù)交互具有最高優(yōu)先級(jí)，而后臺(tái)具有最低優(yōu)先級(jí)。下面是QoS的使用建議。

.userInteractive 標(biāo)志任務(wù)需要被立即執(zhí)行以便提供更出色的用戶(hù)體驗(yàn)。通常用來(lái)做UI更新，事件處理等低延時(shí)的任務(wù)。該類(lèi)型的任務(wù)不應(yīng)過(guò)多。

.userInitiated 標(biāo)志任務(wù)被用戶(hù)通過(guò)UI界面創(chuàng)建，但是可以被異步執(zhí)行。通常用在用戶(hù)一個(gè)操作后需要等待，結(jié)果返回后繼續(xù)之前的操作。

.default 默認(rèn)值。用于一般性異步任務(wù)。

.utility 標(biāo)志任務(wù)需要較長(zhǎng)時(shí)間，通常會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)進(jìn)度。比如：I/O、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求等。

.background 標(biāo)志任務(wù)的執(zhí)行用戶(hù)不太會(huì)關(guān)心。比如：預(yù)加載數(shù)據(jù)。

與全局隊(duì)列相比，您可以使用自定義隊(duì)列執(zhí)行以下任務(wù)：

您可以指定一個(gè)對(duì)您有意義的標(biāo)簽，以便在自定義隊(duì)列上進(jìn)行調(diào)試

你可以暫停和重啟: queue.suspend() queue.resume()

提交柵欄任務(wù): queue.async(flags: .barrier) { ... }

主隊(duì)列

主隊(duì)列是一個(gè)全局可用的串行隊(duì)列，它在應(yīng)用程序的主線程上執(zhí)行任務(wù)

該隊(duì)列與應(yīng)用程序的運(yùn)行循環(huán)一起工作，以將排隊(duì)任務(wù)和運(yùn)行循環(huán)的其他事件源任務(wù)交錯(cuò)執(zhí)行。因?yàn)樗趹?yīng)用程序的主線程上運(yùn)行，所以主隊(duì)列通常用作應(yīng)用程序的關(guān)鍵同步點(diǎn)。

同步與異步

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何在隊(duì)列上串行或并發(fā)地執(zhí)行任務(wù)。使用 GCD，您還可以同步或異步的調(diào)度隊(duì)列。

一般來(lái)說(shuō)，同步函數(shù)(sync)在任務(wù)完成后將控制權(quán)返回給調(diào)用者。而異步函數(shù)(async)會(huì)在函數(shù)調(diào)用后，立即將將控制權(quán)返回給調(diào)用者，它不會(huì)等等任務(wù)完成。

如上圖，您在并發(fā)全局隊(duì)列上執(zhí)行耗時(shí)的任務(wù)，但主線程仍然很忙，因?yàn)槟谥骶€程 main 上同步地在分派任務(wù)，它會(huì)一直等到任務(wù)執(zhí)行完成。

如上圖：我們異步的分派任務(wù)，它立即返回到主線程，主線程將首先打印，隊(duì)列上的列任務(wù)將并發(fā)執(zhí)行。

預(yù)防死鎖

在并發(fā)計(jì)算中，死鎖是一個(gè)組的每個(gè)成員都在等待另一個(gè)成員（包括它自己）采取行動(dòng)的狀態(tài)

在上圖中，queue是一個(gè)串行隊(duì)列，通過(guò)async派發(fā)的任務(wù)A，通過(guò)sync派發(fā)了任務(wù)B。此時(shí)A會(huì)等待B完成后繼續(xù)向下，而B(niǎo)在A沒(méi)有完成之前是不會(huì)開(kāi)始。這就造成了死鎖。

同樣，上圖的主隊(duì)列任務(wù)A(viewDidLoad方法)使用sync派發(fā)任務(wù)B，也會(huì)造成相互等待從而死鎖。

DispatchWorkItem

DispatchWorkItem是一項(xiàng)任務(wù)的包裝器，可以多次使用，也可以取消。

letqueue=DispatchQueue(label:"com.swiftpal.dispatch.workItem")

//Createaworkitem
letworkItem=DispatchWorkItem(){
print("StoredTask")
}

//Task1
queue.async(execute:workItem)

//Task2
queue.asyncAfter(deadline:DispatchTime.now()+1,execute:workItem)

//WorkItemCancel
workItem.cancel()

//Task3
queue.async(execute:workItem)

ifitem.isCancelled{
print("Taskwascancelled")
}

這里我們創(chuàng)建了一個(gè)串行隊(duì)列，又創(chuàng)建了一個(gè)DispatchWorkItem，它只包含一句代碼。

接下來(lái)，我們?cè)谌∠蝿?wù)之前派發(fā)了該任務(wù)兩次，之后再次派發(fā)該任務(wù)。但是對(duì)于輸出，我們只會(huì)看到一次Stored task。

審核編輯：劉清