GCD

什么是GCD?

GCD全稱為Grand Central Dispatch降宅，是libdispatch的市場名稱，而libdispatch是Apple的一個庫早敬，其為并發(fā)代碼在iOS和OS X的多核硬件上執(zhí)行提供支持蜗巧。確切地說GCD是一套低層級的C API，通過 GCD牙捉，開發(fā)者只需要向隊列中添加一段代碼塊(block或C函數(shù)指針)，而不需要直接和線程打交道敬飒。GCD在后端管理著一個線程池邪铲，它不僅決定著你的代碼塊將在哪個線程被執(zhí)行，還根據(jù)可用的系統(tǒng)資源對這些線程進行管理无拗。這樣通過GCD來管理線程带到，從而解決線程被創(chuàng)建的問題。

GCD的優(yōu)勢

• 易用: GCD 提供一個易于使用的并發(fā)模型而不僅僅只是鎖和線程英染，以幫助我們避開并發(fā)陷阱,而且因為基于block揽惹，它能極為簡單得在不同代碼作用域之間傳遞上下文。
• 靈活: GCD 具有在常見模式上(比如鎖四康、單例)搪搏，用更高性能的方法優(yōu)化代碼，而且GCD能提供更多的控制權(quán)力以及大量的底層函數(shù)闪金。
• 性能: GCD能自動根據(jù)系統(tǒng)負載來增減線程數(shù)量疯溺，這就減少了上下文切換以及增加了計算效率。

GCD相關(guān)概念

如果要深入了解GCD毕泌，還有一些概念是需要知道的喝检。

• **Dispatch Objects **
  盡管GCD是純C語言的嗅辣，但它被組建成面向?qū)ο蟮娘L格撼泛。GCD對象被稱為dispatch object, 所有的dispatch objects都是OC對象.，就如其他OC對象一樣澡谭，當開啟了ARC(automatic reference counting)時,dispatch objects的retain和release都會自動執(zhí)行愿题。而如果是MRC的話，dispatch objects會使用dispatch_retain和dispatch_release這兩個方法來控制引用計數(shù)蛙奖。

• Serial & Concurrent
  串行任務就是每次只有一個任務被執(zhí)行潘酗，并發(fā)任務就是在同一時間可以有多個任務被執(zhí)行。

• Synchronous & Asynchronous
  同步函數(shù)意思是在完成了它預定的任務后才返回雁仲，在任務執(zhí)行時會阻塞當前線程仔夺。而異步函數(shù)則是任務會完成但不會等它完成，所以異步函數(shù)不會阻塞當前線程攒砖，會繼續(xù)去執(zhí)行下一個函數(shù)缸兔。

• Concurrency & Parallelism
  并發(fā)的意思就是同時運行多個任務日裙。這些任務可能是以在單核 CPU 上以分時（時間共享）的形式同時運行，也可能是在多核 CPU 上以真正的并行方式來運行惰蜜。然后為了使單核設(shè)備也能實現(xiàn)這一點昂拂，并發(fā)任務必須先運行一個線程，執(zhí)行一個上下文切換抛猖，然后運行另一個線程或進程格侯。并行則是真正意思上的多任務同時運行。

• Context Switch
  Context Switch即上下文切換财著，一個上下文切換指當你在單個進程里切換執(zhí)行不同的線程時存儲與恢復執(zhí)行狀態(tài)的過程联四。這個過程在編寫多任務應用時很普遍，但會帶來一些額外的開銷瓢宦。

• Dispatch Queues
  GCD dispatch queues是一個強大的執(zhí)行多任務的工具碎连。Dispatch queue是一個對象，它可以接受任務驮履，并將任務以先進先出(FIFO)的順序來執(zhí)行鱼辙。Dispatch queue可以并發(fā)的或串行的執(zhí)行任意一個代碼塊，而且并發(fā)任務會像NSOperationQueue那樣基于系統(tǒng)負載來合適地并發(fā)進行玫镐，串行隊列同一時間則只執(zhí)行單一任務倒戏。Dispatch queues內(nèi)部使用的是線程，GCD 管理這些線程恐似，并且使用Dispatch queues的時候杜跷，我們都不需要自己創(chuàng)建線程。Dispatch queues相對于和線程直接通信的代碼優(yōu)勢是：Dispatch queues使用起來特別方便矫夷，執(zhí)行任務更加有效率葛闷。

• Queue Types
  GCD有三種隊列類型：

Getting Started!

好了丐巫，在了解了上述概念后谈况，我們可以正式投入GCD的懷抱了！

創(chuàng)建和管理隊列

當你決定添加一些任務到隊列中時递胧，你需要決定該用那種類型的隊列碑韵，并且抉擇該如何使用他們。Dispatch queues可以串行或并發(fā)地執(zhí)行這些任務缎脾，當你腦海里有一個大概的思路去如何使用隊列時祝闻，你可以額快速地設(shè)置好隊列的屬性。接下來的部分赊锚，本文將告訴大家如何創(chuàng)建隊列和怎樣設(shè)置隊列的屬性治筒。

1. 獲取一個全局隊列
   當我們需要同時執(zhí)行多個任務時屉栓，并發(fā)隊列是非常有用的舷蒲。并發(fā)隊列其實仍然還是一個隊列，它保留了隊列中的任務按先進先出(FIFO)的順序執(zhí)行的特點友多。同時牲平，一個并發(fā)隊列可以移除t它多余的任務，甚至這些任務之前還有未完成的任務域滥。一個并發(fā)隊列中實際執(zhí)行的任務數(shù)是由很多因素決定的纵柿，比如系統(tǒng)的內(nèi)核數(shù)蜈抓，其他串行隊列中任務的優(yōu)先級，以及其他進程的工作狀態(tài)昂儒。

系統(tǒng)為每個程序提供了四種全局隊列沟使，這些隊列中僅僅通過優(yōu)先級加以區(qū)別，這四種類型分別是高渊跋、中(默認)腊嗡、低、后臺拾酝。因為這些隊列是全局的燕少，所以大家不能直接創(chuàng)建它們，取而代之的是我們可以通過dispatch_get_global_queue這個方法來調(diào)用它們蒿囤。

代碼示例：

dispatch_queue_t aQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

   //全局隊列的四種類型
   DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH
   DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT
   DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW
   DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND

正如大家所看到的客们，因為存在隊列的優(yōu)先級，所以那些在高優(yōu)先級隊列中的任務會比在默認或低優(yōu)先級隊列中的任務要先執(zhí)行材诽，而默認級別隊列的優(yōu)先級又高于低優(yōu)先級隊列底挫。注意，這里有一個比較特殊的級別容易被忽視脸侥，DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND凄敢。被設(shè)置成后臺級別的隊列，它會等待所有比它級別高的隊列中的任務執(zhí)行完或CPU空閑的時候才會執(zhí)行自己的任務湿痢。例如磁盤的讀寫操作非常耗時涝缝，如果我們不需要立即獲取到磁盤的數(shù)據(jù)，我們可以把讀寫任務放到后臺隊列中譬重，這樣讀寫任務只會在恰當?shù)臅r候去執(zhí)行而不會影響需要更改優(yōu)先級的其他任務拒逮，整個程序也會更加有效率。

Note: 盡管dispatch queues是引用計數(shù)對象臀规，但是我們不需要用retain和release來管理全局的并發(fā)隊列滩援。因為全局隊列對于程序來說是全局的，retain和release會被全局隊列忽略塔嬉。所以玩徊，我們不需要存儲這些隊列的引用數(shù)，僅僅只需要在任何要使用它們的地方谨究，調(diào)用dispatch_get_global_queue這個方法即可恩袱。

2. 創(chuàng)建串行隊列&并發(fā)隊列
   當我們需要某些任務以指定的順序去執(zhí)行時，串行隊列是一個非常好的選擇胶哲。一個串行隊列在同一時間里只會執(zhí)行一個任務畔塔，而且每次都只會從隊列的頭部把任務取出來執(zhí)行。正因為如此，我們可以用串行隊列來替代鎖的操作澈吨，比如數(shù)據(jù)資源的同步或修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時把敢。和鎖不同的是，串行隊列能保證任務都是在可預見的順序里執(zhí)行谅辣，而且一旦我們在一個串行隊列里異步提交了任務修赞，隊列就能永遠不發(fā)生死鎖。怎么樣桑阶，是不是很棒榔组，不過不像并發(fā)隊列，這些串行隊列是需要我們自己創(chuàng)建和管理的联逻。

我們還可以在程序里創(chuàng)建任意數(shù)量的隊列搓扯，不過值得注意的是，我們要盡量避免創(chuàng)建大量的串行隊列而目的僅僅是為了同時執(zhí)行隊列中的這些任務包归。雖然GCD 通過創(chuàng)建所謂的線程池來大致匹配 CPU 內(nèi)核數(shù)量锨推，但是線程的創(chuàng)建并不是無代價的。每個線程都需要占用內(nèi)存和內(nèi)核資源公壤。所以如果需要創(chuàng)建大量的并發(fā)任務换可，我們只需要把這些任務放到并發(fā)隊列中即可。

代碼示例：

//dispatch_queue_t
   //dispatch_queue_create(const char *label, dispatch_queue_attr_t attr);

  //串行隊列
   dispatch_queue_t serialQueue;
   serialQueue = dispatch_queue_create("com.example.SerialQueue", NULL);

  //并發(fā)隊列
  dispatch_queue_t concurrentQueue;
   concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.example.ConcurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

NOTE: dispatch_queue_attr_t設(shè)置成NULL的時候默認代表串行厦幅。

3. 獲取Main Queue
   獲取主隊列的方法很簡單沾鳄，如下所示：

dispatch_queue_t mainQueue;
mainQueue = dispatch_get_main_queue();

4. 創(chuàng)建隊列的自定義上下文
   所有的dispatch objects(包括dispatch queues)允許我們關(guān)聯(lián)自定義的上下文。我們可以通過使用** dispatch_set_context和dispatch_get_context**這兩個方法确憨，來為objects設(shè)定和獲取這些上下文數(shù)據(jù)译荞。因為系統(tǒng)不會使用我們自定義的數(shù)據(jù)，所以我們需要在適當?shù)臅r候生成和銷毀這些數(shù)據(jù)休弃。對于隊列吞歼，我們可以使用上下文來為一個OC對象或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲一個指針，以此來作為某個隊列的唯一標識塔猾。我們可以在隊列銷毀前并在隊列最后執(zhí)行的方法中去銷毀上下文數(shù)據(jù)篙骡。

代碼示例：

void myFinalizerFunction(void *context)
 {
     MyDataContext* theData = (MyDataContext*)context;
     // 清除這個數(shù)據(jù)的內(nèi)容
     myCleanUpDataContextFunction(theData);
     // 釋放數(shù)據(jù).
     free(theData);
  }

 dispatch_queue_t createMyQueue()
 {
     MyDataContext*  data = (MyDataContext*) malloc(sizeof(MyDataContext));
     myInitializeDataContextFunction(data);
     // 創(chuàng)建隊列并設(shè)置上下文.
     dispatch_queue_t serialQueue =
 dispatch_queue_create("com.example.CriticalTaskQueue", NULL);
     if (serialQueue)
     {
        dispatch_set_context(serialQueue, data);
        dispatch_set_finalizer_f(serialQueue, &myFinalizerFunction);
     }
     return serialQueue;
 }

添加任務到隊列

GCD有兩種方式來把任務添加到隊列中：異步和同步。一般情況下丈甸，使用dispatch_async和dispatch_async_f來執(zhí)行異步操作糯俗，是比同步操作更好的選擇。當我們添加一個block對象或C函數(shù)到一個隊列中后就立即返回了睦擂，任務會在之后由 GCD 決定執(zhí)行得湘，以及任務什么時候執(zhí)行完我們是無法知道確定的。這樣的好處是祈匙，如果我們需要在后臺執(zhí)行一個基于網(wǎng)絡或 CPU 緊張的任務時就使用異步方法 忽刽，這樣就不會阻塞當前線程。

盡管一般情況下夺欲，我們會優(yōu)先選擇異步操作跪帝，但是在某些情況下，我們還是需要任務同步來執(zhí)行些阅。比如需要用同步操作來防止資源競爭或其他同步問題伞剑。這時，我們可以用** dispatch_sync和dispatch_sync_f**方法來把任務添加到隊列中市埋，這樣被添加的任務會阻塞當前線程黎泣，直到這些任務執(zhí)行完。

代碼示例：

//代碼示例：
//異步執(zhí)行
dispatch_queue_t myCustomQueue;
myCustomQueue = dispatch_queue_create("com.example.MyCustomQueue", NULL);
dispatch_async(myCustomQueue, ^{
    NSLog("Do some work here.");
});
//同步執(zhí)行
dispatch_sync(myCustomQueue, ^{
    NSLog("Do some more work here.");
});

NOTE：dispatch_async在不同隊列類型執(zhí)行的情況

• 自定義串行隊列：當你想串行執(zhí)行后臺任務并追蹤它時就是一個好選擇缤谎。這消除了資源爭用抒倚，因為你知道一次只有一個任務在執(zhí)行。
• 主隊列：這是在一個并發(fā)隊列上完成任務后更新 UI 的一般選擇坷澡。
• 并發(fā)隊列：這是在后臺執(zhí)行非 UI 工作的一般選擇

任務執(zhí)行完后添加一個完成塊(Completion Block)

通常來說托呕，我們把任務添加到隊列后，一旦任務執(zhí)行完频敛，我們希望能得到通知并及時處理任務完成的結(jié)果项郊。安裝傳統(tǒng)的異步開發(fā)流程，我們可以使用回調(diào)機制斟赚，或者在隊列中使用完成塊(Completion Block)着降。

一個Completion Block是在原任務完成后，我們給隊列添加的一個代碼塊拗军∪味矗回調(diào)代碼的經(jīng)典做法一般是在任務開始時，把completion block當成一個參數(shù)发侵。需要我們做的只是把一個指定的block或函數(shù)侈咕，在指定的隊列完成時，提交給這個隊列即可器紧。

下面是在一個計算平均值的函數(shù)耀销，其利用了block方法來作為運算結(jié)果的回調(diào)。這個函數(shù)的最后參數(shù)queue铲汪、block熊尉，指定了一個queue和一個block，其在計算完數(shù)值結(jié)果后會把結(jié)果值傳給這個block掌腰，然后再把block分發(fā)到這個隊列(queue)中狰住。注意，為了避免queue被提前釋放掉了齿梁，我們可以在函數(shù)執(zhí)行開始階段為隊列retain催植，然后在completion block完成后再release隊列肮蛹。

代碼示例：

void average_async(int *data, size_t len,
   dispatch_queue_t queue, void (^block)(int))
{
   // Retain the queue 以此確保在completion block
   // 完成前不會被釋放掉
   dispatch_retain(queue);
   // Do the work on the default concurrent queue and then
   // call the user-provided block with the results.
   dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0),
^{
      int avg = average(data, len);
      dispatch_async(queue, ^{ block(avg);});
      // Release the queue
      dispatch_release(queue);
   });
}

并發(fā)執(zhí)行迭代循環(huán)

在開發(fā)中，并發(fā)隊列能很好地提高效率创南，特別是當我們需要執(zhí)行一個數(shù)據(jù)龐大的循環(huán)操作時伦忠。打個比方來說吧，我們需要執(zhí)行一個for循環(huán)稿辙，每一次循環(huán)操作如下：

for (i = 0; i < count; i++) {
   NSLog("%d",i);
}

GCD提供了一個簡化方法叫做dispatch_apply昆码，當我們把這個方法放到并發(fā)隊列中執(zhí)行時，這個函數(shù)會調(diào)用單一block多次邻储，并平行運算赋咽，然后等待所有運算結(jié)束。

代碼示例：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i) {
   NSLog("%d",i);
});

怎么樣吨娜，是不是很棒脓匿，但是需要異步怎么辦？dispatch_apply函數(shù)是沒有異步版本的宦赠。解決的方法是只要用dispatch_async函數(shù)將所有代碼推到后臺就行了亦镶。

代碼示例：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_apply(count, queue, ^(size_t i) {
       NSLog("%d",i);
    });
});

掛起和恢復隊列

有時候，我們不想讓隊列中的某些任務馬上執(zhí)行袱瓮，這時我們可以通過掛起操作來阻止一個隊列中將要執(zhí)行的任務缤骨。當需要掛起隊列時，使用dispatch_suspend方法尺借；恢復隊列時绊起，使用dispatch_resume方法。調(diào)用dispatch_suspend會增加隊列掛起的引用計數(shù)燎斩，而調(diào)用dispatch_resume則會減少引用計數(shù)虱歪，當引用計數(shù)大于0時，隊列會保持掛起狀態(tài)栅表。因此笋鄙，這隊列的掛起和恢復中，我們需要小心使用以避免引用計數(shù)計算錯誤的出現(xiàn)怪瓶。

代碼示例：

dispatch_queue_t myQueue;
myQueue = dispatch_queue_create("com.example.MyCustomQueue", NULL);
//掛起隊列
dispatch_suspend(myQueue);
//恢復隊列
dispatch_resume(myQueue);

NOTE：執(zhí)行掛起操作不會對已經(jīng)開始執(zhí)行的任務起作用萧落，它僅僅只會阻止將要進行但是還未開始的任務。

使用Dispatch Semaphores

信號量的作用是控制多個任務對有限數(shù)量資源的訪問洗贰。一個dispatch semaphore就像一個普通信號的例外找岖。當資源可用時，獲取dispatch semaphore的時間比獲取傳統(tǒng)的系統(tǒng)信號量要更少敛滋。這是因為GCD不調(diào)用這個特殊情況下的內(nèi)核许布。唯一的一次需要在內(nèi)核中調(diào)用的情況是，當資源不可用且系統(tǒng)需要在停止你的線程直到獲取信號绎晃。舉例來說更容易理解蜜唾，如果你創(chuàng)建了一個有著兩個資源的信號量杂曲，那同時最多只能有兩個線程可以訪問臨界區(qū)。其他想使用資源的線程必須在FIFO隊列里等待袁余。

常用的dispatch semaphore的語法：

1. 當創(chuàng)建信號量（使用dispatch_semaphore_create方法）擎勘，我們可以指定一個正整數(shù)，表示可用資源的數(shù)量泌霍。

2. 在每一個任務里货抄，調(diào)用dispatch_semaphore_wait來等待信號量述召。

3. 當?shù)却{(diào)用返回時朱转，獲取資源并做自己的工作。

4. 當我們用到資源后积暖，釋放掉它藤为，然后通過調(diào)用dispatch_semaphore_signal方法來發(fā)出信號。

每一個應用都提供了有限的文件描述符來使用夺刑，如果我們需要處理一大堆的文件時缅疟，我們不想在運行文件描述符的時候同時打開很多文件。取而代之的是遍愿，我們可以用信號量來限制同一時間里文件描述符的數(shù)量存淫。下面就是為了實現(xiàn)此需求的簡單代碼：

// 創(chuàng)建一個信號量
dispatch_semaphore_t fd_sema = dispatch_semaphore_create(getdtablesize() / 2);
// 等待一個空閑的文件描述符
dispatch_semaphore_wait(fd_sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
fd = open("/etc/services", O_RDONLY);
// 當完成時，釋放掉文件描述符
close(fd);
dispatch_semaphore_signal(fd_sema);

Dispatch Groups的使用

Dispatch groups是阻塞線程直到一個或多個任務完成的一種方式沼填。在那些需要等待任務完成才能執(zhí)行某個處理的時候桅咆，你可以使用這個方法。Dispatch Group會在整個組的任務都完成時通知你坞笙，這些任務可以是同步的岩饼，也可以是異步的，即便在不同的隊列也行薛夜。而且在整個組的任務都完成時籍茧，Dispatch Group可以用同步的或者異步的方式通知你。當group中所有的任務都完成時梯澜，GCD 提供了兩種通知方式寞冯。

1. dispatch_group_wait。它會阻塞當前線程晚伙，直到組里面所有的任務都完成或者等到某個超時發(fā)生简十。

代碼示例：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
// 添加隊列到組中
dispatch_group_async(group, queue, ^{
  // 一些異步操作
});
//如果在所有任務完成前超時了，該函數(shù)會返回一個非零值撬腾。
//你可以對此返回值做條件判斷以確定是否超出等待周期螟蝙；
dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 不需要group后將做釋放操作
dispatch_release(group);

2. dispatch_group_notify。它以異步的方式工作民傻，當 Dispatch Group中沒有任何任務時胰默，它就會執(zhí)行其代碼场斑，那么 completionBlock便會運行。

代碼示例：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
// 添加隊列到組中
dispatch_group_async(group, queue, ^{
  // 一些異步操作
});
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{ 
if (completionBlock) { completionBlock(error); }
});

OK!以上即是GCD的一些基本用法牵署。下一部分將是講解GCD的進階編程漏隐，敬請期待。奴迅。青责。

參考文獻：
https://developer.apple.com/library/mac/documentation/Performance/Reference/GCD_libdispatch_Ref/index.html#//apple_ref/c/func/dispatch_set_finalizer_f
https://developer.apple.com/library/mac/documentation/General/Conceptual/ConcurrencyProgrammingGuide/Introduction/Introduction.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008091
http://www.raywenderlich.com/60749/grand-central-dispatch-in-depth-part-1