摘 要：iOS平臺(tái)為適應(yīng)多核心處理器的發(fā)展，對(duì)多線程技術(shù)提供了很好的支持。在iOS應(yīng)用開(kāi)發(fā)中靈活運(yùn)用多線程技術(shù)可以提高iPhone處理器的利用率，最終提高手機(jī)運(yùn)行效率，給用戶(hù)更好的體驗(yàn)。通過(guò)介紹多線程技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，闡述了多線程開(kāi)發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn)，列舉了iOS支持的多種多線程技術(shù)。最后，結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)闡述了GCD多線程技術(shù)在iOS開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，對(duì)理解和掌握iOS多線程開(kāi)發(fā)有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：多線程；iOS；開(kāi)發(fā)；GCD

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1472（2018）-11-38-04

1 引言（Introduction）

隨著用戶(hù)對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力需求的不斷追求，為了適應(yīng)用戶(hù)的更高要求，多核心處理器已被廣泛使用在各類(lèi)電子設(shè)備上，手機(jī)也不例外。多核心處理器使手機(jī)擁有同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的能力。但并非硬件上擁有高速多核心處理器，手機(jī)就能發(fā)揮高性能，還必須有軟件相應(yīng)支持，多處理器的性能瓶頸在軟件上[1]。

多核環(huán)境下軟件開(kāi)發(fā)的核心是多線程開(kāi)發(fā)。多線程技術(shù)不僅要求軟件實(shí)現(xiàn)多線程，在硬件上也必須采用多線程技術(shù)。只有與多核CPU相適應(yīng)的軟件，才能真正發(fā)揮多核的性能。iOS平臺(tái)對(duì)多線程技術(shù)提供了很好的支持，大多基于ios平臺(tái)開(kāi)發(fā)的app都使用了多線程技術(shù)，下面將對(duì)ios開(kāi)發(fā)中多線程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2 多線程介紹（Introduction to multi-thread）

2.1 線程和多線程

要了解什么是線程，首先要知道進(jìn)程的概念。手機(jī)上每一個(gè)應(yīng)用在運(yùn)行前都會(huì)進(jìn)駐內(nèi)存，進(jìn)入內(nèi)存并且運(yùn)行中的應(yīng)用程序就可稱(chēng)為一個(gè)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以包含一個(gè)或多個(gè)線程。可以認(rèn)為線程是進(jìn)程在調(diào)度過(guò)程中能獨(dú)立執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)的最小單位。

多線程是能使多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。應(yīng)用程序在手機(jī)上運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常會(huì)同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。在手機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，就會(huì)采用多線程技術(shù)。一個(gè)線程同一時(shí)間只能處理一個(gè)任務(wù)，為了能同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，程序員編程過(guò)程中就會(huì)開(kāi)辟多個(gè)線程，以此來(lái)提高資源的利用率，這就是多線程編程。對(duì)于多核處理器，可以調(diào)用多個(gè)處理器核心同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，從而達(dá)到同步完成多項(xiàng)任務(wù)。

2.2 多線程的優(yōu)缺點(diǎn)

多線程開(kāi)發(fā)技術(shù)是從單線程和多進(jìn)程技術(shù)發(fā)展而來(lái)，相對(duì)于單線程和多進(jìn)程而言，多線程開(kāi)發(fā)有其優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，單線程的任務(wù)只能一個(gè)個(gè)按順序執(zhí)行，因此，如果某個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)，就會(huì)影響到手機(jī)處理器的使用效率。而多線程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)處理，在多核處理器時(shí)代，處理器多個(gè)核心同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，處理多個(gè)任務(wù)，能大大提高資源的利用率。其次，相對(duì)于進(jìn)程而言，線程可以利用其所在進(jìn)程的資源，系統(tǒng)不需要單獨(dú)為線程分配系統(tǒng)資源，對(duì)線程的調(diào)度所付出的開(kāi)銷(xiāo)比進(jìn)程要小得多。同時(shí)能充分發(fā)揮多核心處理器的優(yōu)勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)。而且，當(dāng)硬件處理器數(shù)量增加時(shí)，不需要做任何更改，程序運(yùn)行速度會(huì)相應(yīng)變快。

多線程技術(shù)運(yùn)用得當(dāng)能給應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的好處，但其也存在一些缺點(diǎn)。開(kāi)啟的線程過(guò)多，處理器調(diào)度線程所耗資源就越大，程序設(shè)計(jì)也會(huì)更復(fù)雜。同時(shí)，開(kāi)啟線程會(huì)占用一定的內(nèi)存空間，如果開(kāi)啟的線程數(shù)量過(guò)多，必將占用較大的內(nèi)存空間，影響程序的性能。

3 iOS應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的多線程技術(shù)（Multi-thread technology in iOS application development）

3.1 iOS中的多線程運(yùn)行機(jī)制

iOS平臺(tái)對(duì)多線程技術(shù)提供了很好的支持，在iOS應(yīng)用開(kāi)發(fā)中靈活運(yùn)用多線程技術(shù)可以對(duì)手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行很好的優(yōu)化。對(duì)于手機(jī)而言，大多數(shù)app都是c/s模式，都會(huì)涉及UI和業(yè)務(wù)邏輯的并行運(yùn)行問(wèn)題。通常，進(jìn)程在創(chuàng)建時(shí)都會(huì)同時(shí)運(yùn)行一個(gè)線程，這個(gè)線程被稱(chēng)為主線程。iOS進(jìn)程如果開(kāi)啟了多個(gè)線程，系統(tǒng)會(huì)以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，讓各個(gè)線程輪流使用處理器資源，因?yàn)闀r(shí)間片的時(shí)間非常短，用戶(hù)感覺(jué)象是同時(shí)在進(jìn)行。最新的蘋(píng)果X采用的六核心處理器，如果同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，iOS可以將多個(gè)線程運(yùn)行在多個(gè)核心上，實(shí)現(xiàn)真正的并發(fā)執(zhí)行，提高處理器的效率，最終達(dá)到提高應(yīng)用效率的目的。

iOS開(kāi)發(fā)中，處理與UI相關(guān)的操作都會(huì)運(yùn)行在主線程中，如顯示或刷新界面，處理UI事件（點(diǎn)擊、滾動(dòng)、拖拽等）[2]。對(duì)于耗時(shí)的操作都會(huì)放在子線程，比如從網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)，因?yàn)榫W(wǎng)速、數(shù)據(jù)大小或者網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等因素都會(huì)影響到所需時(shí)間，這種操作放在主線程必然會(huì)造成主線程阻塞，影響應(yīng)用運(yùn)行的流暢度，給用戶(hù)不好的體驗(yàn)。耗時(shí)操作放在子線程，則可以提高應(yīng)用運(yùn)行效率。

3.2 iOS平臺(tái)主要的線程技術(shù)介紹[3]

iOS支持四種多線程技術(shù)Pthread、GCD、NSThread、NSOperation，各技術(shù)的特點(diǎn)如圖1所示。

其中前面兩種以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)操作，對(duì)于不熟悉C語(yǔ)言編程的開(kāi)發(fā)者而言，使用起來(lái)較困難。Pthread技術(shù)因?yàn)槭褂秒y度大，目前基本已經(jīng)過(guò)時(shí)不用[3]。而后兩種則基于objective-c，通過(guò)objective-c類(lèi)的方式來(lái)執(zhí)行多線程操作。這兩種方式以objective-c類(lèi)的方式對(duì)線程進(jìn)行管理和操作，操作面向?qū)ο?，因此?jiǎn)單易用。但NSThead技術(shù)需要開(kāi)發(fā)者自行管理線程生命周期及線程同步。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一份資源時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，必須使用同步鎖來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，會(huì)增加CPU資源的損耗。NSOperation技術(shù)基于GCD，并且多了一些簡(jiǎn)單易用的功能，但是因?yàn)樗菍?duì)GCD的第二次封裝，性能上比GCD略低[4]。NSOperation是基于objective-c語(yǔ)言的多線程技術(shù)，并且是在GCD基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，只要有了objective-c語(yǔ)言基礎(chǔ)，掌握了GCD技術(shù)的原理，就很容易上手NSOpertion技術(shù)。因此，下面將主要介紹GCD技術(shù)及其在開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。

4 GCD多線程開(kāi)發(fā)技術(shù)（GCD multi-thread development technology）

GCD是為多核的并行運(yùn)算而設(shè)計(jì)的純C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)，提供了很多的功能強(qiáng)大的函數(shù)，利用這些可以創(chuàng)建線程、調(diào)度任務(wù)、銷(xiāo)毀線程，開(kāi)發(fā)者只需告訴GCD要執(zhí)行的任務(wù)，不需要編寫(xiě)線程管理代碼。在進(jìn)行多線程開(kāi)發(fā)時(shí)可以傳Block也可以傳c函數(shù)指針[5]。在進(jìn)行多核編程時(shí)方便高效，它可以自動(dòng)利用更多的處理器核心進(jìn)行工作。

4.1 隊(duì)列和任務(wù)

要了解GCD的工作原理，首先要知道GCD的兩個(gè)核心概念—隊(duì)列和任務(wù)。實(shí)現(xiàn)多線程要做的兩件事就是創(chuàng)建隊(duì)列和提交任務(wù)。

隊(duì)列（Dispatch Queue）是用來(lái)存放任務(wù)的集合并負(fù)責(zé)管理任務(wù)。隊(duì)列的機(jī)制就是將任務(wù)拆分成多個(gè)工作單元，將其加入到隊(duì)列中，系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)管理隊(duì)列，并將隊(duì)列放到多個(gè)線程上執(zhí)行，開(kāi)發(fā)者無(wú)需管理線程。

開(kāi)發(fā)者可以使用系統(tǒng)提供的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建隊(duì)列，隊(duì)列通過(guò)一個(gè)線程池來(lái)處理隊(duì)列管理的任務(wù)。GCD的隊(duì)列是嚴(yán)格遵守先進(jìn)先出（FIFO）的原則，添加到隊(duì)列的工作單元就是按照添加的循序啟動(dòng)。

根據(jù)任務(wù)執(zhí)行方式的不同，隊(duì)列可以分為串行隊(duì)列和并行隊(duì)列。串行隊(duì)列的線程池中只有一個(gè)線程，隊(duì)列中的任務(wù)按順序一個(gè)個(gè)執(zhí)行，每次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。并發(fā)隊(duì)列的線程池中有多個(gè)線程，因此并發(fā)隊(duì)列的任務(wù)可以按先進(jìn)新出的順序并發(fā)啟動(dòng)，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

任務(wù)就是要執(zhí)行的操作或?qū)崿F(xiàn)的功能，任務(wù)通常通過(guò)同步函數(shù)和異步函數(shù)兩種方式來(lái)執(zhí)行。他們之間的區(qū)別在于只在當(dāng)前線程中執(zhí)行任務(wù)，不會(huì)開(kāi)啟新線程。而且，任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)阻塞當(dāng)前線程。只有當(dāng)前線程代碼塊任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，線程才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。而異步是在開(kāi)辟新線程來(lái)執(zhí)行任務(wù)，因此對(duì)當(dāng)前線程不會(huì)有影響。

4.2 隊(duì)列的創(chuàng)建

iOS創(chuàng)建隊(duì)列大致可以分成三種類(lèi)型：獲取全局并發(fā)隊(duì)列、創(chuàng)建串行和并行隊(duì)列、獲取主隊(duì)列[6]。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)GCD提供的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建和訪問(wèn)隊(duì)列。下面將分別介紹這三種情況。

獲取全局并發(fā)隊(duì)列可以通過(guò)函數(shù)dispatch_get_global_queue（long identifier， unsigned long flags）來(lái)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)會(huì)返回一個(gè)dispatch_queue_t類(lèi)型的對(duì)象，開(kāi)發(fā)者只需通過(guò)該函數(shù)就可以獲取系統(tǒng)給應(yīng)用提供的多個(gè)并發(fā)的隊(duì)列，這些隊(duì)列在當(dāng)前應(yīng)用內(nèi)全局共享。函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)用于指定隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)，查看官方文檔可以得知優(yōu)先級(jí)參數(shù)值。第二個(gè)參數(shù)是供以后使用的，通常傳入0即可

創(chuàng)建串行和并行隊(duì)列用函數(shù)dispatch_queue_create（const char*_Nullable label，dispatch_queue_attr_t_Nullable attr）來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，該函數(shù)也會(huì)返回一個(gè)dispatch_queue_t類(lèi)型的對(duì)象。如果應(yīng)用程序的任務(wù)需要按特定順序執(zhí)行，則創(chuàng)建串行隊(duì)列。如果需要并發(fā)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，可以通過(guò)獲取全局并發(fā)隊(duì)列。

創(chuàng)建串行或并發(fā)隊(duì)列的函數(shù)中包含兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)可以為隊(duì)列設(shè)置一個(gè)字符串，也可以為NULL。第二個(gè)參數(shù)用來(lái)指定當(dāng)前函數(shù)是創(chuàng)建串行隊(duì)列還是并行隊(duì)列，默認(rèn)值為NULL，表示串行。

主隊(duì)列是GCD中一個(gè)特殊的串行隊(duì)列，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)函數(shù)dispatch_get_main_queue（void）來(lái)獲取主隊(duì)列。應(yīng)用中只要是提交給主隊(duì)列的任務(wù)都會(huì)放在主線程中執(zhí)行。

4.3 提交任務(wù)

創(chuàng)建完隊(duì)列以后，需要將任務(wù)提交給隊(duì)列。提交任務(wù)的方式分同步和異步兩種。

開(kāi)發(fā)者可以?xún)蓚€(gè)函數(shù)dispatch_sync（dispatch_queue_t queue，DISPATCH_NOESCAPE dispatch_block_t block）和dispatch_sync_f（dispatch_queue_t queue，void*_Nullable context，dispatch_function_t work）來(lái)實(shí)現(xiàn)同步執(zhí)行任務(wù)。這兩個(gè)函數(shù)的區(qū)別在于前者是將要執(zhí)行的任務(wù)以代碼塊的形式提交給指定的隊(duì)列，后者是將要執(zhí)行的任務(wù)以函數(shù)的方式提交給指定的隊(duì)列。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以任意選擇上述兩個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)同步。同步過(guò)程由GCD來(lái)處理，開(kāi)發(fā)者只需將要執(zhí)行的任務(wù)寫(xiě)入代碼塊或者要調(diào)用的函數(shù)中。與同步方式一樣，異步執(zhí)行任務(wù)也對(duì)應(yīng)由兩個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。分別是：dispatch_async（dispatch_queue_t queue，dispatch_block_t block），dispatch_async_f（dispatch_queue_t queue，void*_Nullable context，dispatch_function_t work）。兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)涵義和同步函數(shù)完全一致。前者是將代碼塊以異步的方式提交給指定的隊(duì)列，后者是將函數(shù)以異步的方式提交給指定的隊(duì)列。

4.4 隊(duì)列和任務(wù)的組合

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況，將不同的隊(duì)列和不同的任務(wù)提交方式進(jìn)行組合，包括串行同步、串行異步、并行同步、并行異步。采用同步還是異步?jīng)Q定是否需要開(kāi)啟新的線程，而任務(wù)的執(zhí)行方式則取決于采用串行還是并行。不同的組合方式將會(huì)產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果。

需要注意的是使用同步函數(shù)在當(dāng)前串行隊(duì)列中添加任務(wù)，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線程阻塞。而應(yīng)用程序的主線程必須采取異步執(zhí)行方式，這樣才可以及時(shí)相應(yīng)用戶(hù)事件。

5 GCD多線程開(kāi)發(fā)實(shí)踐（GCD multi-thread development practice）

ios編程的工作原理示意圖如圖2所示，從圖可以看出，手機(jī)端應(yīng)用需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求獲取所需數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能包括圖像、視頻、文字等。獲取到數(shù)據(jù)后再在UI上顯示出來(lái)。這個(gè)請(qǐng)求過(guò)程所耗時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)大小，在多線程編程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請(qǐng)求通常會(huì)作為耗時(shí)操作而開(kāi)啟子線程。而UI顯示操作，iOS要求必須在主線程[7]。

如果同一個(gè)界面需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求從服務(wù)器獲取多組數(shù)據(jù)，則可以通過(guò)GCD隊(duì)列組來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先使用異步執(zhí)行多個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求操作，并在異步操作都執(zhí)行完畢后，回到主線程執(zhí)行操作。可以將多個(gè)block組成一個(gè)對(duì)列組，用于監(jiān)聽(tīng)所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求是否完畢，如果所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求已完成則轉(zhuǎn)到主線程執(zhí)行UI操作（圖3）。代碼如下。

-（void）dispatch_group_requestData

{ //調(diào)度組

dispatch_group_t group=dispatch_group_create（）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請(qǐng)求數(shù)據(jù)1代碼 }）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請(qǐng)求數(shù)據(jù)2代碼}）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請(qǐng)求數(shù)據(jù)3代碼}）；

dispatch_group_notify（group，dispatch_get_main_queue（），^{

// 數(shù)據(jù)請(qǐng)求完成，設(shè)置UI }）；}

6 結(jié)論（Conclusion）

隨著手機(jī)性能不斷增強(qiáng)，在ios應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須注重對(duì)軟件性能的優(yōu)化，以便充分利用硬件資源，做到App運(yùn)行整體性能的提升，給用戶(hù)更好的體驗(yàn)。多線程開(kāi)發(fā)技術(shù)提高了CPU的利用效率，但是線程的切換增加了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也面臨著線程不安全、線程死鎖的缺點(diǎn)[8]。因此，在ios開(kāi)發(fā)中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的多線程技術(shù)，但能單線程能處理的問(wèn)題盡量不要使用多線程。

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作者簡(jiǎn)介：

黃瀏展（1975-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā).