写在前面
llibdispatch是苹果开发的一套C接口的库（苹果官方称之为GCD，Grand Central Dispatch），多线程技术的封装是其核心之一。GCD内部管理线程池，对上层以队列的形式提供操作接口，任务则以block的形式提交到队列，最终由GCD决策如何将任务派发到线程执行。
之前有翻译过raywenderlich中关于GCD的两篇文章，里面比较清楚的讲解了串行、并发的概念以及基本的API说明。今天来重新整理一遍libdispatch相关内容，其缘由是前不久项目中发现对队列与线程的一些误解。记录与分享之。
背景知识
并行与并发
parallelism与concurrency的区别，这个在raywenderlich也有说明。简而言之，并行（parallelism）在计算机领域则指的是机器指令的同时执行，也就是多个处理器执行；并发（concurrency）指的是逻辑层面的同时进行，其对立面是sequentially、任务间有先后顺序的处理方式。不太恰当的举个例子，项目开发上我们不同团队之间会是并行开发，比如后端、前端、美术团队是同时进行；而至于你，则一边听着音乐、一边码着代码。前者强调的是物理线路的分离，后者强调的是逻辑依赖的分离。并行的必要条件是并发，但并发不是并行的充分条件。放到所举栗子中，项目中不同团队的并行开发要求不同团队中的任务是没有依赖的，而就算任务不存在依赖，如果没有这样的团队划分（比如人员紧缺、职责混乱）也无法达成并行开发。
同步与异步
synchronous与asynchronous，同步/异步在计算机领域多线程的语境下，通常用来用来描述两个（及以上）操作之间的协作关系。程序执行中的状态通常称之为上下文（Context），切换进程、线程以及函数调用都需要切换上下文。我们知道，每个线程是一个无分叉的CPU命令执行序列。我们发起一个过程调用时，函数调用栈会将上一个函数的上下文信息（栈幁，活动记录，可参考wiki）push到栈中，直到函数处理结束后栈幁pop出，指令执行指针（如PC或IP）才会被重置到发起调用前代码的下一条指令。同步调用或异步调用（回调），描述的是消息的通知模式，也就是被调用的函数过程的执行结果，是通过返回值还是通过回调函数/闭包的形式来通知调用者，前者是同步调用后者是异步调用。这是两个函数过程的不同的协作模式。所以，像“异步函数”这种是很不恰当而奇怪的称呼。
所以所谓“同步队列”、“异步队列”这些是误用。
多线程方案
按抽象层次从低到高列举简单介绍如下：
- pthread 符合POSIX标准的libc（或glibc）中的线程库实现
- NSThread 苹果的基于pthread实现的OC接口的线程管理类
- GCD 苹果实现的C接口的任务/队列管理，线程池管理
- NSOperation 基于GCD的OC接口的任务管理，添加了任务依赖等特性
目前最常用莫过于GCD与NSOperation了。
GCD基础知识
串行、并发队列
GCD中所有队列都是FIFO的方式对任务的出列进行管理，可以分为两大类：串行队列、并发队列。
其中串行执行队列，必须等每个出列的任务执行完后才将下一个任务出列；而并发执行队列则是当前任务出列后，无需等待执行完毕，在并发数允许的情况下，可以将下一个任务出列。
需要先提一下，GCD中的任务dispatch通常会有两组接口，一组是dispatch[_xxx]_sync(queue, task)，一组是，其功能都是将任务task提交到队列queue中执行。这里的sync与async的概念可能与"过程阻塞调用"更接近。前者是派发同步调用的任务，后者派发异步调用的任务。dispatch[_xxx]_sync(queue, task)的函数调用，会想办法实现，在task执行完之后才继续执行调用前的下一条指令；而dispatch[_xxx]_async(queue, task)则仅是将task添加到queue中，然后该函数执行完毕继续下一条指令，至于task`什么时候执行它不关心。当并发数为1时，并发队列等同于串行队列。
GCD的队列细分可按下表所示划分为4种（见下表示）。主线程队列是个特殊的串行队列，可通过dispatch_get_main_queue()来取得。对于并发队列，提供提供了几个不同优先级的全局的并发队列。用户可自定义队列，接口为dispatch_create_queue(label, attributes)。
| 队列 |
类型 |
创建/获取 |
备注 |
| 主队列 |
串行 |
dispatch_get_main_queue() |
|
| 全局并发队列 |
并发 |
dispatch_get_global_queue(priority, flag) |
|
| 自定义串行队列 |
串行 |
dispatch_create_queue(“com.queue.name”, NULL) |
需锚定 |
| 自定义并发队列 |
并发 |
dispatch_create_queue(“com.queue.name”, DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT) |
需锚定 |
示例：
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| // 创建串行队列
dispatch_create_queue("com.queue.serial", NULL)
// 创建并发队列
dispatch_create_queue("com.queue.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT)
|
线程池
GCD对上层提供的概念是队列的概念，并自身维护了线程池，libdispatch会按需将队列中的任务派发到具体的线程中执行。
但队列与线程并非一一对应的关系。这是个很容易被误解的地方。（当然我这次也踩了这个坑）
提交到同一个队列的任务，并不一定在同一个线程中执行。即使是串行队列。
举个实际的例子：
为了解决数据访问的不一致问题（实际是Realm数据库读写），我们创建了一个串行队列syncqueue，会有dispatch_sync()以及dispatch_async()两种调用。我们的预期是，这不是串行队列吗？上面两种调用，是会在同一个线程中执行的。你觉得呢？sync与async的调用并不能保证是同一个线程中的操作，而Realm本身为速度而生、是一种mvcc结构，是允许多线程的同时读写，它的数据一致性是通过数据更新来实现的。结果可想而知，调用了delete异步写入之后，并不能反映到随后的同步query结果中。
事实上，是我们混淆了队列与线程的概念、关系。在上面例子中，sync与async的操作依然是遵循队列FIFO串行出列的特性的，但sync操作往往被dispatch到调用线程中执行，而async操作往往被dispatch到一个新的线程中执行。（可通过下面的测试进行验证）
所以务必记住线程池的概念，区分队列与线程。
主线程队列
主线程队列有什么特殊？简要的说，这是个跟应用主线程关联的队列。
首先，只有主线程队列结合到主runloop中去了，主线程队列提交的任务一定在主线程执行。因为是串行队列，所有任务按提交的时间先后执行，在每次runloop循环中检查是否有任务并执行。非线程安全的UI操作，默认都需要在主线程（队列）中执行。
再者，在主队列异步提交的任务，也只会在主线程执行，而不会开辟新的线程执行。这是个容易被忽略的常识。因为对于异步提交到非主线程队列的任务，通常会被提交到另一个具体线程（与当前线程不同）执行。
目标队列
主线程队列任务会在主线程中执行，全局并发队列中任务会被派发到具体线程中执行。但自定义队列中的任务不会直接被提交到具体线程中，而是需要锚定以上两种队列，称之为目标队列。自定义队列中的任务会被提交到目标队列中。
可使用dispatch_set_target_queue(object, targetqueue)来指定目标队列。
一些坑点
dispatch[_xxx]_sync的不当使用导致死锁
在串行队列中，派发同步调用的任务，必定导致死锁。例如在主线程中（或dispatch_async()到mainQueue的任务block中），调用dispatch[_xxx]_sync必定死锁；在其他串行队列同样如此（但并发队列不会，虽然官方不建议）。
dispatch_after(delta, queue, task)，在指定时间追加任务到队列中。
测试
以下是一些基本测试，通过这些测试代码，你可能更好的体会串行/并发、同步/异步的概念。以下代码均在主线程调起。其中，syncq、syncq2为2个新建的串行执行队列，asyncq为新建的并发执行队列。
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);
// 全部输出为：[Thread][0]: <NSThread: 0x60000007b440>{number = 1, name = main}，后文简称main
dispatch_sync(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_async(syncq, ^{
// 以下输出全为：[Thread][1]: <NSThread: 0x6000002653c0>{number = 3, name = (null)}
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);
// [Thread][0]: <NSThread: 0x60000007b440>{number = 1, name = main}
dispatch_sync(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{// 死锁
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_sync(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_async(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
输出为：
[Thread][0]: <NSThread: 0x6000000701c0>{number = 1, name = main}
[Thread][1]: <NSThread: 0x6000000701c0>{number = 1, name = main}
[Thread][4]: <NSThread: 0x6000000701c0>{number = 1, name = main}
[Thread][2]: <NSThread: 0x60000007d040>{number = 3, name = (null)}
[Thread][3]: <NSThread: 0x6000000701c0>{number = 1, name = main}
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_sync(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_async(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
输出：
[Thread][0]: <NSThread: 0x60800007ea80>{number = 1, name = main}
[Thread][1]: <NSThread: 0x60800007ea80>{number = 1, name = main}
[Thread][4]: <NSThread: 0x60800007ea80>{number = 1, name = main}
[Thread][2]: <NSThread: 0x60000026c840>{number = 3, name = (null)}
[Thread][3]: <NSThread: 0x60000026c840>{number = 3, name = (null)}
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_async(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq, ^{// 死锁
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
输出：
[Thread][0]: <NSThread: 0x600000077980>{number = 1, name = main}
[Thread][1]: <NSThread: 0x600000077980>{number = 1, name = main}
[Thread][4]: <NSThread: 0x600000077980>{number = 1, name = main}
[Thread][2]: <NSThread: 0x608000262d80>{number = 3, name = (null)}
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_async(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(syncq, ^{//syncq等待？
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
输出：
[Thread][0]: <NSThread: 0x60800007b740>{number = 1, name = main}
[Thread][1]: <NSThread: 0x60800007b740>{number = 1, name = main}
[Thread][2]: <NSThread: 0x600000266700>{number = 3, name = (null)}
[Thread][3]: <NSThread: 0x600000266700>{number = 3, name = (null)}
[Thread][4]: <NSThread: 0x60800007b740>{number = 1, name = main}
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| NSLog(@"[Thread][0]: %@",[NSThread currentThread]);//main
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][1]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_async(syncq, ^{
NSLog(@"[Thread][2]: %@",[NSThread currentThread]);
dispatch_sync(syncq2, ^{
NSLog(@"[Thread][3]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
dispatch_sync(asyncq, ^{
NSLog(@"[Thread][4]: %@",[NSThread currentThread]);
});
});
输出：
[Thread][0]: <NSThread: 0x600000067e80>{number = 1, name = main}
[Thread][1]: <NSThread: 0x600000067e80>{number = 1, name = main}
[Thread][4]: <NSThread: 0x600000067e80>{number = 1, name = main}
[Thread][2]: <NSThread: 0x600000073580>{number = 3, name = (null)}
[Thread][3]: <NSThread: 0x600000073580>{number = 3, name = (null)}
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本文主要介绍GCD的一些基本背景知识以及基础知识，更详细的介绍以及拓展知识，将在后续系列中介绍。
本文完。
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