章節(jié)目錄

• 什么是GCD？
• 如何在多條路徑中執(zhí)行CPU命令列？
• 即使多線程存在很多問題（如數(shù)據(jù)競爭、死鎖、線程過多消耗大量內(nèi)存），為何還要使用多線程？
• Dispatch Queue
• dispatch_set_target_queue
• dispatch_after
• dispatch_time
• dispatch_walltime
• Dispatch Group
• dispatch_group_wait
• dispatch_barrier_async
• dispatch_sync 與 dispatch_async
• dispatch_apply
• dispatch_suspend / dispatch_resume
• Dispatch Semaphore
• dispatch_once
• Dispatch I/0
• GCD實現(xiàn)
• 參考資料

正文：

• 什么是GCD？

GCD是異步執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)之一。
一般應(yīng)用程序中記述的線程管理用的代碼在系統(tǒng)中實現(xiàn)。
所以我們只需定義想執(zhí)行的任務(wù)并追加到適當(dāng)?shù)腄ispatch Queue中，GCD就能生成必要的線程并計劃執(zhí)行任務(wù)。

在導(dǎo)入GCD之前，Cocoa框架提供了NSThread等簡單的多線程編程技術(shù)，但通過源碼對比可知GCD更為簡潔，執(zhí)行效率也更高。

一個CPU一次只能執(zhí)行一個命令，不能執(zhí)行某處分開的并列的兩個命令，因此通過CPU執(zhí)行的CPU命令列就好比一條無分叉的大道，其執(zhí)行不會出現(xiàn)分歧。
而在OC的if等控制語句或函數(shù)調(diào)用的情況下，執(zhí)行命令列的地址會遠離當(dāng)前的位置（位置遷移）

一個CPU執(zhí)行的CPU命令列為一條無分叉路徑，即為線程。
多線程即為多條路徑。多線程中，1個CPU核執(zhí)行多條不同路徑上的不同命令。
一個64核的CPU芯片有64個CPU。

CPU命令列.png

• 一個CPU核一次能夠執(zhí)行的CPU命令始終為1，那如何在多條路徑中執(zhí)行CPU命令列？

OSX和iOS的核心XNU內(nèi)核在發(fā)生操作系統(tǒng)事件時會切換執(zhí)行路徑（如每隔一定時間，喚起系統(tǒng)調(diào)用等情況）。
執(zhí)行中路徑的狀態(tài)，如CPU的寄存器等信息保存到各自路徑專用的內(nèi)存塊中，從切換目標(biāo)路徑專用的內(nèi)存塊中，復(fù)原CPU寄存器等信息，繼續(xù)執(zhí)行切換路徑的CPU命令列。這被稱為”上下文切換”。

由于使用多線程的程序可以在某個線程和其他線程之間反復(fù)多次進行上下文切換，因此看上去就好像一個CPU核能夠并列地執(zhí)行多個線程一樣。

但具有多個CPU核時，就不是看上去像了，而是真的多個CPU核并行執(zhí)行多個線程的技術(shù)。

這種利用多線程編程的技術(shù)就被稱為多線程編程。

• 即使多線程存在很多問題（如數(shù)據(jù)競爭、死鎖、線程過多消耗大量內(nèi)存），為何還要使用多線程？

多線程編程可保證應(yīng)用程序的響應(yīng)性能。
主線程是應(yīng)用程序啟動時最先執(zhí)行的線程，負責(zé)描繪用戶界面、處理觸摸屏幕的事件等。
若在主線程進行長時間的處理，就會妨礙主線程的執(zhí)行，從而導(dǎo)致不能應(yīng)用程序的畫面沒有更新而長時間停滯等問題。

Dispatch Queue : 執(zhí)行處理的等待隊列。根據(jù)FIFO執(zhí)行操作的處理。
在執(zhí)行處理時存在兩種Dispatch Queue，一種是等待現(xiàn)在執(zhí)行中的處理的Serial Dispatch Queue（同步），另一種是不等待現(xiàn)在執(zhí)行中處理的Concurrent Dispatch Queue（異步）。

Dispatch Queue種類.png

并行執(zhí)行，使用多個線程同時執(zhí)行多個處理。
但是并行執(zhí)行的處理數(shù)量取決于當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)(Concurrent Dispatch Queue)。
iOS和OS X的核心 —— XNU內(nèi)核決定應(yīng)當(dāng)使用的線程數(shù)，并只生成所需的線程執(zhí)行處理。
當(dāng)處理結(jié)束，應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的處理數(shù)減少時，XNU內(nèi)核會結(jié)束不再需要的線程(中間會有個放入線程緩存池的操作)。

• 如何才能得到Dispatch Queue？

兩種方法。

第一種

通過CGD的API： dispatch_queue_create函數(shù)生成Dispatch Queue
一個Serial Dispatch Queue 同時只能執(zhí)行一個追加處理，但使用 dispatch_queue_create函數(shù)可生成任意多個Dispatch Queue。

當(dāng)生成多個Serial Dispatch Queue時，各個Serial Dispatch Queue將并行執(zhí)行。雖然一個隊列只能生成一個處理，但可以有多個隊列同時進行一個處理，即為同時執(zhí)行多個處理。
但不可生成太多，否則會消耗大量內(nèi)存，引起大量的上下文切換，大幅降低系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

dispatch_queue_create函數(shù)，第一個參數(shù)指定Serial Dispatch Queue的名稱。
第二個參數(shù)若為NULL則生成的是Serial Dispatch Queue，若為DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT則生成的是Concurrent Dispatch Queue。

生成的Dispatch Queue必須由程序員負責(zé)釋放，通過dispatch_release(隊列名)釋放?？?br> 通過dispatch_retain(隊列名)增加引用。
即Dispatch Queue也像OC的引用計數(shù)式內(nèi)存管理一樣，需通過dispatch_retain函數(shù)和dispatch_release函數(shù)的引用計數(shù)來管理內(nèi)存。

GCD的使用.png

如圖所示，在dispatch_async函數(shù)中追加Block到Concurrent Dispatch Queue，并立即通過dispatch_release函數(shù)進行釋放。則該Block通過dispatch_retain函數(shù)持有Dispatch Queue。無論Serial Dispatch Queue還是Concurrent Dispatch Queue都一樣。

于是在dispatch_async函數(shù)中追加Block到Dispatch Queue后，即使立即釋放Dispatch Queue，該Dispatch Queue由于被Block所持有也不會被廢棄，因而Block能夠執(zhí)行。Block執(zhí)行結(jié)束后會釋放Dispatch Queue，此時誰都不持有Dispatch Queue，它也因此會被廢棄。

第二種

獲取系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提供的Dispatch Queue（Main Dispatch Queue 和 Global Dispatch Queue）

Main Dispatch Queue是在主線程中執(zhí)行的Dispatch Queue。因主線程只有一個，所以其自然是Serial Dispatch Queue。
追加到Main Dispatch Queue的處理在主線程的RunLoop中執(zhí)行。所以將用戶界面的界面更新等一些必須在主線程中執(zhí)行的處理追加到Main Dispatch Queue使用。

Global Dispatch Queue 是所有應(yīng)用程序都能夠使用的Concurrent Dispatch Queue。
其有四個執(zhí)行優(yōu)先級，分別是高、默認(rèn)、低、后臺。
通過XNU內(nèi)核管理的用于Global Dispatch Queue的線程，將各自使用的Global Dispatch Queue的執(zhí)行優(yōu)先級作為線程的優(yōu)先級使用。
所以在使用時，應(yīng)注意優(yōu)先級的選擇，但通過XNU內(nèi)核用于Global Dispatch Queue的線程并不能保證實時性，因此執(zhí)行優(yōu)先級只是大致的判斷。
列如在處理內(nèi)容的執(zhí)行可有可無時，使用后臺優(yōu)先級的這種。

后臺優(yōu)先級.png

Main Dispatch Queue的獲取：
dispatch_queue_t mainDispatchQueue = dispatch_get_main_queue();

Global Dispatch Queue(高優(yōu)先級)的獲取方法
dispatch queue_t globalDispatchQueueHigh = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HEIGH,0);

Global Dispatch Queue(默認(rèn)優(yōu)先級)的獲取方法
dispatch queue_t globalDispatchQueueDefault = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0);

Global Dispatch Queue(低優(yōu)先級)的獲取方法
dispatch queue_t globalDispatchQueueLow = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_Low,0);

Global Dispatch Queue(后臺優(yōu)先級)的獲取方法
dispatch queue_t globalDispatchQueueBackground = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND,0);

對Main Dispatch Queue 和 Global Dispatch Queue執(zhí)行dispatch_retain 和 dispatch_release函數(shù)不會引起任何變化，也不會有任何問題。
這也是使用其會更輕松的原因。

dispatch_get_global_queue的第二個參數(shù)，官方解釋為留待未來使用，非0就可能返回NULL

• dispatch_set_target_queue

dispatch_queue_create函數(shù)生成的Dispatch Queue 不管是Serial Dispatch Queue 還是 Concurrent Dispatch Queue，其使用的線程優(yōu)先級都與Global Dispatch Queue的優(yōu)先級相同。而變更優(yōu)先級就使用dispatch_set_target_queue函數(shù)。

代碼演示：
dispatch_queue_t mySerialDispatchQueue = dispatch_queue_create(“DrunkenMouse”,NULL);
dispatch_queue_t globalDispatchQueueBackground = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0);
dispatch_set_target_queue(mySerialDispatchQueue,globalDispatchQueueBackground);

第一個參數(shù)的Dispatch Queue的優(yōu)先級會修改為與第二個Dispatch Queue的優(yōu)先級相同。
但第一個參數(shù)若為Main Dispatch Queue 和 Global Dispatch Queue則不知道會出現(xiàn)什么狀況，所以不可指定。

• dispatch_after

指定多少時間后追加操作到Dispatch Queue，而不是指定時間后執(zhí)行處理。

dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,3ull * NSEC_PER_SEC);
dispatch_after(time,dispatch_get_main_queue(),^{
    NSLog(@“wait at least 3 seconds”);
});

此源碼意為3秒后追加Block操作到Main Dispatch Queue。

• dispatch_time

dispatch_time函數(shù)獲取從第一個參數(shù)指定的時間開始到第二個參數(shù)指定的毫微妙單位時間后的時間。
第一個參數(shù)是指定時間用的dispatch_time_t類型的值，使用dispatch_time函數(shù)或dispatch_walltime函數(shù)生成
第二個參數(shù)中ull * NSEC_PER_SEC代表秒，使用NSEC_PER_MSEC代表毫秒
如150毫秒：150ull * NSEC_PER_MESC
ull是C語言的數(shù)值字面量，表示unsigned long long

• dispatch_walltime

dispatch_walltime函數(shù)用于計算絕對時間。比如想指定在X年X月X日X時X分X秒這一絕對時間。

• Dispatch Group

用于將多個Dispatch Queue 添加到同一個Dispatch Group, 待Dispatch Queue全部執(zhí)行完畢后執(zhí)行某項操作。（Serial Dispatch Queue或 Concurrent Dispatch Queue皆可）

dispatch_group_t group = dispatch_group_create(); 生成group
dispatch_group_async(group, queue, ^{NSLog(@“DrunkenMouse”)；})； 將操作添加到隊列queue，將隊列queue添加到組group中
dispatch_group_async(group, queue, ^{NSLog(@“DrunkenMouse2”)；})； 組中可添加多個queue
dispatch_group_notify(group,dispatch_get_main_queue(),^{NSLog(@“done”);}); 通過notify監(jiān)聽group，在group中所有操作執(zhí)行完畢后，將第三個參數(shù)的Block添加到第二個參數(shù)的Dispatch Queue。
dispatch_release(group);釋放組

dispatch_group_create函數(shù)生成dispatch_group_t類型的Dispatch Group。
該Dispatch Group與Dispatch Queue相同，在使用結(jié)束后通過dispatch_release函數(shù)釋放。
dispatch_group_async函數(shù)將Block追加到指定的Dispatch Queue，Block屬于指定的Dispatch Group。
所以Block通過dispatch_retain函數(shù)持有Dispatch Group，于是Block執(zhí)行結(jié)束，該Block就通過dispatch_release函數(shù)釋放持有的Dispatch Group。
一旦Dispatch Group使用結(jié)束，不用考慮Block，立即通過Dispatch_release函數(shù)釋放即可。

• dispatch_group_wait

在Dispatch Group中使用dispatch_group_wait函數(shù)僅等待全部處理執(zhí)行結(jié)束。
dispatch_group_t group = dispatch_group_create(); 生成group
dispatch_group_async(group, queue, ^{NSLog(@“DrunkenMouse”)；})； 將操作添加到隊列queue，將隊列queue添加到組group中
dispatch_group_async(group, queue, ^{NSLog(@“DrunkenMouse2”)；})； 組中可添加多個queue
dispatch_group_wait(group,DISPATCH_TIME_FOREVER);
第二個參數(shù)為等待的時間，屬于dispatch_time_t類型的值。DISPATCH_TIME_FOREVER意味永久等待，只要group中的處理尚未結(jié)束就一直等待。
等待的時間也可以為1秒

dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,1ull * NSEC_PER_SEC);
long result = dispatch_group_wait(group,time);
if（result == 0） {
    //屬于Dispatch Group的全部處理執(zhí)行結(jié)束
}else {
    //屬于Dispatch Group的某一個處理還在執(zhí)行中
}

等待意味著一旦調(diào)用dispatch_group_wait函數(shù)，該函數(shù)就處于調(diào)用的狀態(tài)而不返回。
在經(jīng)過指定時間或Dispatch Group的處理全部執(zhí)行結(jié)束之前，執(zhí)行該函數(shù)的線程停止。
若不等待則可以使用DISPATCH_TIME_NOW：

long result = dispatch_group_wait(group,DISPATCH_TIME_NOW);

• dispatch_barrier_async

dispatch_barrier_async 柵欄，可保證寫入時不會讀取，讀取時不會寫入。
進而可將寫入操作放到Serial Dispatch Queue中，讀取操作放入Serial Dispatch Queue，以提高性能。

dispatch_async(queue,blk1_reading);
dispatch_async(queue,blk2_reading);
dispatch_barrier_async(queue,blk3_writing);
dispatch_async(queue,blk4_reading);

dispatch_barrier_async函數(shù)會等到目前為止的并行都處理結(jié)束后，再去執(zhí)行此操作，而在執(zhí)行該寫入操作時禁止再執(zhí)行別的操作。

• dispatch_sync 與 dispatch_async

dispatch_async 異步，將指定的Block”非同步”的追加到指定的Dispatch Queue，dispatch_async函數(shù)不做任何等待。
dispatch_sync 同步，將指定的Block”同步”追加到指定的Dispatch Queue中，在追加Block結(jié)束之前，dispatch_sync函數(shù)會一直等待。
等待的意思同dispatch_group_wait，該線程直到處理結(jié)束才會返回。
同步主隊列操作會導(dǎo)致死鎖。也就是dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(),blk1);
死鎖原因：Main Dispatch Queue會等待主線程中操作執(zhí)行執(zhí)行完畢再執(zhí)行該操作。于是主線程等待該操作結(jié)束才繼續(xù)執(zhí)行，該操作又在等待主線程操作結(jié)束才能執(zhí)行。

同一個隊列，異步操作里嵌套同步操作會發(fā)生Crash。(XCode8 測試)

• dispatch_apply

該函數(shù)按指定的次數(shù)將指定的Block追加到指定的Dispatch Queue中，并等待全部處理執(zhí)行結(jié)束。
第二個參數(shù)為重復(fù)次數(shù)，第二個參數(shù)為添加到的隊列，第三個參數(shù)為追加的處理

dispatch_apply(10,queue,blk1);
NSLog(@“DrunkenMouse”);

blk1添加10此到隊列queue，待操作全都執(zhí)行完畢后輸出DrunkenMouse
第三個參數(shù)Block為帶有參數(shù)的Block，這是為了區(qū)分添加的Block所用。
由于dispatch_apply函數(shù)與dispatch_sync函數(shù)相同，會等待處理執(zhí)行結(jié)束。
因此推薦在dispatch_async函數(shù)非同步的執(zhí)行dispatch_apply函數(shù)。

• dispatch_suspend / dispatch_resume

dispatch_suspend(queue)將指定的Dispatch Queue掛起。
即不執(zhí)行追加到該Dispatch Queue中未執(zhí)行的處理，但已經(jīng)執(zhí)行的處理不受影響。
dispatch_resume(queue)恢復(fù)指定的Dispatch Queue

• Dispatch Semaphore

數(shù)據(jù)信號燈。當(dāng)計數(shù)為0時等待，計數(shù)為1或大于1時，減去1而不等待。
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
參數(shù)表示計數(shù)的初始值，由create可看出，同樣需dispatch_release函數(shù)釋放?？赏ㄟ^dispatch_retain函數(shù)持有。
dispatch_semaphore_wait(semaphore,DISPATCH_TIME_FOREVER);
該函數(shù)等待Dispatch Semaphore的計數(shù)值大于或等于1。當(dāng)滿足時計數(shù)減一并從dispatch_semaphore_wait函數(shù)返回。
返回0代表計數(shù)值大于或等于1，計數(shù)減一。否則就是沒返回值。
第二個參數(shù)與dispatch_group_wait函數(shù)等相同，由dispatch_time_t類型值指定等待時間。
計數(shù)值的加1通過dispatch_semaphore_signal函數(shù)

• dispatch_once

一次執(zhí)行。在程序運行階段，其函數(shù)只會執(zhí)行一次。

• Dispatch I/0

在讀取較大文件時，可將文件分成合適的大小并使用Global Dispatch Queue并列讀取來提升速度。實現(xiàn)這一功能的就是Dispatch I/O 和 Dispatch Data

• GCD實現(xiàn)

編程人員所使用GCD的API全部為包含在libdispatch 庫中的C語言函數(shù)。
Dispatch Queue通過結(jié)構(gòu)體和鏈表，被實現(xiàn)為FIFO隊列。
FIFO隊列管理是通過dispatch_async等函數(shù)所追加的Block。
Block并不是直接加入FIFO隊列，而是先加入Dispatch Continuation這一dispatch_continuation_t類型結(jié)構(gòu)體中，然后再加入FIFO隊列。
該DispatchContinuation用于記憶Block所屬的DispatchGroup和其他一些信息，相當(dāng)于一般常說的執(zhí)行上下文。

Global Dispatch Queue有8種：
HighPriority DefaultPriority LowPriority BackgroundPriority
HighOvercommitPriority DefaultOvercommitPriority LowOvercommitPriority BackgroundOvercommitPriority
優(yōu)先級中附有Overcommit的Global Dispatch Queue使用在SerialDispatchQueue中。
如Overcommit這個名稱所示，不管系統(tǒng)狀態(tài)如何，都會強制生成線程的DispatchQueue
這八種Global Dispatch Queue各使用一個pthread_workqueue.
GCD初始化時，使用pthread_workqueue_create_np函數(shù)生成pthread_workqueue.
pthread_workqueue包含在Libc提供的Pthreads API中。其使用bsdthread_register和workq_open系統(tǒng)調(diào)用，在初始化XNU內(nèi)核的work queue之后獲取workqueue信息
XNU內(nèi)核持有4種work queue
WORKQUEUE_HIGH_PRIOQUEUE
WORKQUEUE_DEFAULT_PRIOQUEUE
WORKQUEUE_LOW_PRIOQUEUE
WORKQUEUE_BG_PRIOQUEUE

Dispatch Queue中執(zhí)行Block的過程。當(dāng)在Global Dispatch Queue 中執(zhí)行Block時，libdispatch從Global Dispatch Queue自身的FIFO隊列中取出Dispatch Continuation，調(diào)用pthread_workqueue_additem_np函數(shù)。將該Global Dispatch Queue自身、符合其優(yōu)先級的work queue信息以及為執(zhí)行Dispatch Continuation的回調(diào)函數(shù)等傳遞給參數(shù)。

看圖.png

pthread_workqueue_additem_np函數(shù)使用workq_kernreturn系統(tǒng)調(diào)用，通知work queue增加應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的項目。根據(jù)該通知，XNU內(nèi)核基于系統(tǒng)狀態(tài)判斷是否要生成線程，如果是Overcommit優(yōu)先級的Global Dispatch Queue，workqueue則始終生成線程。
work queue的線程執(zhí)行pthread_workqueue函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用libdispatch的回調(diào)函數(shù)。在該回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行加入到DispatchContinuation的Block
Block執(zhí)行結(jié)束后，進行通知DispatchGroup結(jié)束、釋放DispatchContinuation等處理，開始準(zhǔn)備執(zhí)行加入到GlobalDispatchQueue中的下一個Block。

• 參考

• Objective-C高級編程：iOS與OS X多線程和內(nèi)存管理
• 簡書博客