GCD基础知识

2021-11-09 12:56:27

并行和并发

在英文世界里，「并行」和「并发」的区别比较清晰，「并行」对应parallelism，「并发」对应concurrency；但在中文世界里二者仅一字之差，两个概念非常容易弄混淆；

各种资料对「并行」和「并发」有各种各样的解释和比喻。我比较喜欢的一种是播客节目内核恐慌中的主播Rio的描述，大概意思是：

「并发」和「并行」是一种计算模型，使得计算机能够在同一时间处理多个任务；「并发」表示逻辑概念上的「同时」，「并行」表示物理概念上的「同时」。

简单来说，若说两个任务A和B并发执行，则表示任务A和任务B在同一时间段里被执行（更多的可能是二者交替执行）；若说任务A和B并行执行，则表示任务A和任务B在同时被执行（这要求计算机有多个运算器）；

一句话：并行要求并发，但并发并不能保证并行。

P.S：在《GCD深入理解（1）》中有更详细的图文解释，参考这里。

Dispatch Queues介绍

Dispatch Queues是GCD处理异步任务和并发任务的关键载体，简而言之，在GCD中，将task放入某个Dispatch Queue中，然后等待系统去处理之。

Dispatch queue是object-like structure，也就是说Dispatch queue在Objective-C中不是类结构，而是类类结构。dispatch queue对task的管理都遵循FIFO。GCD提供了一些公共的dispatch queue，但是用户也可以自定义一些dispatch queue；iOS对dispatch queue做了归类，分为三类：

  • Serial Dispatch Queue
  • Concurrent Dispatch Queue
  • Main Dispatch Queue

Serial Dispatch Queue

顾名思义，serial dispatch queue中的block按照先进先出（FIFO）的顺序去执行，实际上为单线程执行。即每次从queue中取出一个task进行处理；用户可以根据需要创建任意多的serial dispatch queue，serial dispatch queue彼此之间是并发的；

创建serial dispatch queue使用dispatch_queue_create方法，指定其第二个参数为DISPATCH_QUEUE_SERIAL（即NULL）即可：

dispatch_queue_t queue;

queue = dispatch_queue_create("com.example.MySerialQueue",DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

注意：如果不算“Main Dispatch Queue”，系统中不存在所谓的global serial dispatch queue。

P.S：main dispatch queue其实也算serial dispatch queue，后文有述。

Concurrent Dispatch Queue

相对于Serial Dispatch Queue，Concurrent Dispatch Queue一次性并发执行一个或者多个task；和Serial Dispatch Queue不同，系统提供了四个global concurrent queue，使用dispatch_get_global_queue函数就可以获取这些global concurrent queue；

和Serial Dispatch Queue一样，用户也可以根据需要自己定义concurrent queue；创建concurrent dispatch queue也使用dispatch_queue_create方法，所不同的是需要指定其第二个参数为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT即可：

dispatch_queue_t queue;

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

P.S：根据我的理解，对于concurrent queue，其管理的task可能在多个不同thread上执行，至于dispatch queue管理多少个thread是未知的，这要视系统资源而定，用户无需为此烦扰。
创建concurrent queue也是使用dispatch_queue_create方法，指定第二个参数为DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT。

Main Dispatch Queue

关于Main Dispatch Queue，《Concurrency Programming Guide》（Apple官方文档）的描述如下：

The main dispatch queue is a globally available serial queue that executes tasks on the application’s main thread.

根据我的理解，application的主要任务（譬如UI管理之类的）都在main dispatch queue中完成；根据文档的描述，main dispatch queue中的task都在一个thread中运行，即application’s main thread（thread 1）。

P.S：所以，如果想要更新UI，则必须在main dispatch queue中处理，获取main dispatch queue也很容易，调用dispatch_get_main_queue()函数即可。

关于Dispatch Queues的一些误解

在学习GCD过程中，我一路上有许多关于dispatch的错误理解，如下是总结：

1.不存在所谓的「同步队列」和「异步队列」。

「同步」或「异步」描述的是task与其上下文之间的关系，所以，笔者觉得「同步队列」和「异步队列」对于Objective-C的GCD而言是不靠谱的概念；

2.Serial Dispatch Queue上的tasks并非只在同一个thread上执行。

吾尝以为serial queue上的tasks都是在同一个thread上运行，后来明白了不是这样的，对于那些同步请求的任务，譬如使用dispatch_sync函数添加到serial dispatch queue中的任务，其运行的task往往与所在的上下文是同一个thread；对于那些异步请求的任务，譬如使用dispatch_async函数添加到serial dispatch queue中的任务，其运行的task往往是另一个的thread。举例说明：

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    dispatch_queue_t aSerialQueue = dispatch_queue_create("haha", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

    dispatch_sync(aSerialQueue, ^{

        // block 1

        NSLog(@"current 1: %@", [NSThread currentThread]);

    });

    dispatch_async(aSerialQueue, ^{

        // block 2

        NSLog(@"current 2: %@", [NSThread currentThread]);

    });

}

/*

执行结果：

current 1: <NSThread: 0x7f8f397152f0>{number = 1, name = main}

current 2: <NSThread: 0x7f8f39464db0>{number = 2, name = (null)}

*/

block 1和block 2都由同一个serial dispatch queue管理，但它们的执行线程显然不同，前者的执行线程是thread 1，后者的执行线程是thread 2。

3.dispatch queue和thread并不存在一对一或者一对多的关系。

通过设置断点等测试手段可以知道可能多个dispatch queue共用一个thread，也可能一个dispatch queue中的tasks在多个不同threads上执行。

总之，根据我的理解，thread和dispatch queue之间没有从属关系。

dispatch_sync和dispatch_async

dispatch_sync和dispatch_async介绍

在GCD中，dispatch_sync和dispatch_async是两个函数，前者用于派发同步任务，后者用于派发异步任务，二者使用格式如下：

// dispatch task synchronously

dispatch_sync(someQueue1, ^{

    // do something 1

});

// do something 2
// dispatch task asynchronously

dispatch_async(someQueue2, ^{

    // do something 3

});

// do something 4

对于派发同步任务，do something 2一定会在do something 1完成之后执行，即所谓的“同步”。当执行到dispatch_sync(…)时，其上下文被阻塞，直到dispatch_sync派发的block被执行完毕；并且，根据笔者的理解，dispatch_sync派发的block的执行线程和dispatch_sync上下文线程是同一个线程。

P.S：“dispatch_sync派发的block的执行线程和dispatch_sync上下文线程是同一个线程”这个说法还没有找到权威的、直接明了的佐证。

对于派发异步任务，do something 4会立即执行，而不会等到do something 3执行完，即所谓“异步”。当执行到dispatch_async(…)时，其上下文不被阻塞，继续运行；
根据笔者的理解，do something 3和do something 4往往在不在同一个Thread中被执行，即dispatch_async派发的block的执行线程和dispatch_async上下文线程不是同一个线程；

来看一个示例，如下有一段代码：

// 1. create a serial dispatch queue

dispatch_queue_t serial_queue=

dispatch_queue_create("com.zhangbuhuai.test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);    // Thread 1

// 2. add tasks to serial dispatch queue

// 1) add a task synchronously

dispatch_sync(serial_queue, ^{

    sleep();                  // 休眠3秒

    NSLog(@"task 1");        // Thread 1

});

// 2) add a task synchronously too

dispatch_sync(serial_queue, ^{

    NSLog(@"task 2");        // Thread 1

});

// 3) add a task asynchronously

dispatch_async(serial_queue, ^{

    NSLog(@"task 3");        // Thread x  (x != 1)

});

// 4) add a task asynchronously too

dispatch_async(serial_queue, ^{

    NSLog(@"task 4");        // Thread x  (x != 1)

});

NSLog(@"test end");            // Thread 1

假设建立serial_queue所在的上下文运行的thread为Thread 1，则测试结果很可能是NSLog(@"task 1");和NSLog(@"task 2");也都在Thread 1中执行，而NSLog(@"task 3");和NSLog(@"task 4");在别的Thread中执行。

执行结果：

task

task

test end

task

task

根据结果我们知道，对于serial dispatch queue中的tasks，无论是同步派发还是异步派发，其执行顺序都遵循FIFO；同样，这个示例也可以直观阐述dispatch_sync和dispatch_async的不同效果。

dispatch_sync和dispatch_async的使用时机

在大多数时候，dispatch_sync和dispatch_async的使用时机非常清晰的：

  • 如果派发的task耗时长，不想让上下文线程被阻塞就用dispatch_async；
  • 如果要处理的代码比较短，想要实现代码保护（线程安全），选用dispatch_sync；

P.S：关于dispatch_sync与线程同步（代码保护）之间的关系，以后会专门阐述。

但有些时候，使用dispatch_sync或者dispatch_async都可以的情况（譬如实现setter）下，就不是那么好选择了。

在《Effective Objective-C 2.0》Item 41（中文版P169）中看到非常重要的一句话：

…，因为在执行异步派发时，需要拷贝块。

我对这句话的理解是：

  • 执行同步派发（dispatch_sync）时，是不需要拷贝block的，这是因为dispatch_sync中所派发的task往往和当前上下文所处同一个Thread；
  • 执行异步派发（dispatch_async）时，需要拷贝block，这是因为dispatch_async中所派发的task往往和当前上下文不同于一个Thread；

所以，当选择dispatch_sync或者dispatch_async都可以的情况下，站在效率的角度，如果拷贝block的时间成本过高，则使用dispatch_sync；如果拷贝block的时间成本远低于执行block的时间成本，则使用dispatch_async；

P.S：《Effective Objective-C 2.0》上的这句话“…，因为在执行异步派发时，需要拷贝块”在某种程度上佐证了上文提到的两个说法：

  1. dispatch_sync派发的block的执行线程和dispatch_sync上下文线程是同一个线程；
  2. dispatch_async派发的block的执行线程和dispatch_async上下文线程不是同一个线程；

参考资料：

    1. 《Concurrency Programming Guide》（Apple官方文档）
    2. 《Effective Objective-C 2.0》
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