iOS开发中设计并发任务技术与注意事项

并发任务是指多个任务在某一时刻同时运行。在过去，一提到并发执行任务，首当其冲的解决方案就是在程序中创建多个线程来实现，但是线程本身较为底层，而且管理的难度比较大，如果想做倒最优的线程数量、最恰当的线程创建销毁时机是很难的，以至于虽然达到了并发执行任务的目的，但却以降低程序性能为代价，所以往往得不偿失。

鉴于上述的原因，于是一些实现并发任务的其他方案出现了。在OS X和iOS系统中采用了多种实现并发执行任务的方法，与直接创建线程不同，这些方法让开发者只需要关注要执行的任务，然后让系统执行它们即可，不需要关心线程管理的问题，为开发者提供了一个简单而高效的并发任务编程模式。

其中一种实现任务异步执行的技术就是Grand Central Dispatch（GCD），该技术封提供了系统级别的线程管理功能，我们在使用它时只需要定义我们希望执行的任务，然后将任务添加到对应的分派执行队列中即可。另外一个技术是Operation queues，具体的实现是Objective-C中的 NSOperationQueue 对象，它的作用和GCD很相似，同样只需要我们定义好任务，然后添加到对应的操作队列中即可，其他与线程管理相关的事都由 NSOperationQueue 帮我们完成。

Dispatch Queues简述

Dispatch Queues是基于C语言的，执行自定义任务的技术，从字面意思理解其实就是执行任务的队列，使用GCD执行的任务都是放在这个队列中执行的，当然队列的数量可以有多个，类型也不止一种。一个Dispatch queue可以串行的执行任务，也可以并行的执行任务，但不管哪种执行任务的方式，都遵循先进先出的原则。串行队列一次只能执行一个任务，当前任务执行完后才能执行下一个任务，并且执行任务的顺序和添加任务的顺序是一致的。并行队列自然是可同时执行多个任务，不需要等待上个任务完成后才执行下个任务。我们来看看Dispatch queue还有哪些好的特性：

• 有简单宜用，通俗易懂的编程接口。
• 提供了自动管理的线程池。
• 可自动调节队列装载任务的速度。
• 更优的内存使用率。
• 使用户不用担心死锁的问题。
• 提供了比线程锁更优的同步机制。

使用Dispatch Queue时，需要将任务封装为一个函数或者一个 block ， block 是Objective-C中对闭包的实现，在OS X 10.6和iOS 4.0时引入的，在Swift中直接为闭包。

Dispatch Sources简述

Dispatch Source是GCD中的一个基本类型，从字面意思可称为调度源，它的作用是当有一些特定的较底层的系统事件发生时，调度源会捕捉到这些事件，然后可以做其他的逻辑处理，调度源有多种类型，分别监听对应类型的系统事件。我们来看看它都有哪些类型：

• Timer Dispatch Source：定时调度源。
• Signal Dispatch Source：监听UNIX信号调度源，比如监听代表挂起指令的SIGSTOP信号。
• Descriptor Dispatch Source：监听文件相关操作和Socket相关操作的调度源。
• Process Dispatch Source：监听进程相关状态的调度源。
• Mach port Dispatch Source：监听Mach相关事件的调度源。
• Custom Dispatch Source：监听自定义事件的调度源。

Dispatch Source是GCD中很有意思也很有用的一个特性，根据不同类型的调度源，我们可以监听较为底层的系统行为，不论在实现功能方面还是调试功能方面都非常游有用，后文中会再详细讲述。

Operation Queues简述

Operation Queue与Dispatch Queue很类似，都是有任务队列或操作队列的概念，只不过它是由Cocoa框架中的 NSOperationQueue 类实现的，它俩最主要的区别是任务的执行顺序，在Dispatch Queue中，任务永远都是遵循先进先出的原则，而Operation Queue加入了其他的任务执行顺序特性，使下一个任务的开始不再取决于上个任务是否已完成。

上文说过，使用Dispatch Queue时，需要将任务封装为一个函数或者闭包。而在Operation Queue中，需要将任务封装为一个 NSOpertaion 对象，然后放入操作队列执行。同时该对象还自带键值观察（KVO）通知特性，可以很方便的监听任务的执行进程。

设计并发任务时应该注意的事项

虽然并发执行任务可以提高程序对用户操作的响应速度，最大化使用内核，提升应用的效率，但是这些都是建立在正确合理使用并发任务技术，以及应用程序确实需要使用这类技术的前提下。如果使用不得当，或者对简单的应用程序画蛇添足，那么反而会因为使用了并发任务技术而导致应用程序性能下降，另一方面开发人员面对的代码复杂度也会增加，维护成本同样会上升。所以在准备使用这类技术前一定要三思而行，从性能、开发成本、维护成本等多个方面去考虑是否需要使用并发任务技术。

考虑是否需要用只是第一步，当确定使用后更不能盲目的就开始开发，因为并发任务技术的使用需要侵入应用程序的整个开发生命周期，所以在应用开发之初，就是考虑如何根据这类技术去设计并发任务，考虑应用中任务的类型、任务中使用的数据结构等等，否则亡羊补牢也为时已晚。这一节主要说说在设计并发任务时应该注意哪些事。

梳理应用程序中的任务

在动手写代码前，尽量根据需求，穷举应用中的任务以及在任务中涉及到的对象何数据结构，然后分析这些任务的优先级和触发类型，比如罗列出哪些任务是由用户操作触发的，哪些是任务是无需用户参与触发的。

当把任务根据优先级梳理好后，就可以从高优先级的任务开始逐个分析，考虑任务在执行过程中涉及到哪些对象和数据结构，是否会修改变量，被修改的变量是否会对其他变量产生影响，以及任务的执行结果对整个程序产生什么影响等。举个简单的例子，如果一个任务中对某个变量进行了修改，并且这个变量不会对其他变量产生影响，而且任务的执行结果也相对比较独立，那么像这种任务就最合适让它异步去执行。

进一步细分任务中的执行单元

任务可以是一个方法，也可以是一个方法中的一段逻辑，不论是一个方法还是一段逻辑，我们都可以从中拆分出若干个执行单元，然后进一步分析这些执行单元，如果多个执行单元必须得按照特定得顺序执行，而且这一组执行单元的执行结果想对独立，那么可以将这若干执行单元视为执行单元组，可以考虑让该执行单元组异步执行，其他不需要按照特定顺序的执行单元可以分别让它们异步执行。可以使用的技术可以用GCD或者Operation Queue。

在拆分执行单元时，尽量拆的细一点，不要担心执行单元的数量过多，因为GCD和Operation Queue有着高性能的线程管理机制，不需要担心过多的使用任务队列会造成性能损耗。

确定合适的队列

当我们将任务分解为一个个执行单元并分析之后，下一步就是将这些执行单元封装在 block 中或者封装为 NSOperation 对象来使用GCD或Operation Queues，但在这之前还需要我们根据执行单元确定好适合的队列，不管是Dispatch queue还是Operation queue，都需要明确是使用串行队列还是并行队列，确定是将多个执行单元放入一个队列中还是分别放入多个队列中，以及使用正确优先级的队列。

提高效率的其他技巧

在使用任务队列时注意以下几点，可以有效的提高执行效率：

• 如果应用比较吃内存，那么建议在任务中直接计算一些需要的值，这样比从主存中加载要来的快。
• 尽早确定顺序执行的任务，尽量将其改为并行任务，比如说有多个任务存在资源竞争问题，那么可以根据情况分别为每个任务拷贝一份该资源，从而避免顺序执行任务，以提高执行效率。
• 避免使用线程锁机制。在使用GCD或Operation Queues技术时基本不需要使用线程锁，因为有串行队列的存在。
• 尽量使用系统提供的框架达到并发任务的目的，一些系统提供的框架本身就有一些方法函数可以让任务并发执行，比如 UIView 提供的一系列动画的方法等。

Operation Queues

Operation Queue技术由Cocoa框架提供，用于实现任务并发异步执行的技术，该技术基于面向对象概念。该技术中最主要的两个元素就是Operation对象和Operation队列，我们先来看看Operation对象。

Operation Objects

Operation对象的具体实现是Foundation框架中的 NSOperation 类，它的主要作用就是将我们希望执行的任务封装起来，然后去执行。 NSOperation 类本身是一个抽象类，在使用时需要我们创建子类去继承它，实现一些父类的方法，以达到我们使用的需求。同时Foundation框架也提供了两个已经实现好的 NSOperation 子类，供我们方便的使用：

• NSInvocationOperation ：当我们已经有一个方法需要异步去执行，此时显然没有必要为了这一个方法再去创建一个 NSOperation 的子类，所以我们就可以用 NSInvocationOperation 类来封装这个方法，然后放入操作队列去执行，以满足我们的需求。
• NSBlockOperation ：该类可以让我们同时执行多个 block 对象或闭包。

同时所有继承 NSOperation 的子类都会具有如下特性：

• 可自动管理Operation对象之间的依赖关系，举个例子，当一个Operation对象执行之前发现它包含的任务中有依赖其他的Operation对象，并且该Operation对象还没有执行完成，那么当前的Operation对象会等待它的依赖执行完成后才会执行。
• 支持可选的完成时回调闭包，该闭包可以在Operation对象包含的主要任务执行完之后执行。
• 自带键值观察（KVO）通知特性，可以监听任务的执行状态。
• 可在运行时终止任务执行。

虽然Operation Queues技术主要是通过将Operation对象放入队列中，实现并发异步的执行任务，但是我们也可以直接通过 NSOperation 类的 start 方法让其执行任务，但这样就属于同步执行任务了，我们还可以通过 NSOperation 类的 isConcurrent 方法来确定当前任务正在异步执行还是同步执行。

创建NSInvocationOperation对象

上文中已经提到过， NSInvocationOperation 对象是Foundation框架提供的 NSOperation 抽象类的实现，主要作用是方便我们将已有对象和方法封装为Operation对象，然后放入操作队列执行目标方法，同时该对象的好处是可以避免我们为已有的对象的方法逐个创建Operation对象，避免冗余代码。不过，由于 NSInvocationOperation 不是类型安全的，所以从Xcode 6.1开始，在Swift中就不能再使用该对象了。我们可以看看在Objective-C中如何创建该对象：

@implementation MyCustomClass  - (NSOperation*)taskWithData:(id)data {      NSInvocationOperation* theOp = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(myTaskMethod:) object:data];     return theOp;  ｝ - (void)myTaskMethod:(id)data {     // Perform the task.  }  @end

当 NSInvocationOperation 对象创建好后，可以调用它父类 NSOperation 的 start 方法执行任务，但是这种不放在操作队列中的执行方式都是在当前线程，也就是主线程中同步执行的。

创建NSBlockOperation对象

NSBlockOperation 是另外一个由Foundation框架提供的 NSOperation 抽象类的实现类，该类的作用是将一个或多个block或闭包封装为一个Operation对象。在第一次创建 NSBlockOperation 时至少要添加一个block：

import Foundation class TestBlockOperation {     func createBlockOperationObject() -> NSOperation {         print("The main thread num is /(NSThread.currentThread())")         let nsBlockOperation = NSBlockOperation(block: {             print("Task in first closure. The thread num is /(NSThread.currentThread())")         })         return nsBlockOperation        }    } let testBlockOperation = TestBlockOperation() let nsBlockOperation = testBlockOperation.createBlockOperationObject() nsBlockOperation.start()

上面的代码中我们首先打印了主线程的线程号，然后通过 createBlockOperationObject 方法创建了一个 NSBlockOperation 对象，在初始化时的block中同样打印了当前线程的线程号，调用它父类的方法 start 后，可以看到这个block中的任务是在主线程中执行的：

The main thread id is <NSThread: 0x101502e40>{number = 1, name = main} Task in first closure. The thread id is <NSThread: 0x101502e40>{number = 1, name = main}

然而我们也可以通过 NSBlockOperation 对象的方法 addExecutionBlock 添加其他的block或者说任务：

import Foundation class TestBlockOperation {     func createBlockOperationObject() -> NSOperation {         print("The main thread num is /(NSThread.currentThread())")         let nsBlockOperation = NSBlockOperation(block: {             print("Task in first closure. The thread num is /(NSThread.currentThread())")          })         // 第一种写法         nsBlockOperation.addExecutionBlock({             print("Task in second closure. The thread num is /(NSThread.currentThread())")         })         // 第二种写法         nsBlockOperation.addExecutionBlock{               print("Task in third closure. The thread num is /(NSThread.currentThread())")          }         return nsBlockOperation     }    } let testBlockOperation = TestBlockOperation() let nsBlockOperation = testBlockOperation.createBlockOperationObject() nsBlockOperation.start()

当我们再执行 NSBlockOperation 时，可以看到后面添加的两个任务都在不同的二级线程中执行，此时这个任务为并发异步执行：

The main thread id is <NSThread: 0x101502e40>{number = 1, name = main} Task in first closure. The thread id is <NSThread: 0x101502e40>{number = 1, name = main} Task in third closure. The thread id is <NSThread: 0x101009190>{number = 2, name = (null)} Task in second closure. The thread id is <NSThread: 0x101505110>{number = 3, name = (null)}

通过上面两段代码可以观察到，当 NSBlockOperation 中只有一个block时，在调用 start 方法执行任务时不会为其另开线程，而是在当前线程中同步执行，只有当 NSBlockOperation 包含多个block时，才会为其另开二级线程，使任务并发异步执行。另外，当 NSBlockOperation 执行时，它会等待所有的block都执行完成后才会返回执行完成的状态，所以我们可以用 NSBloxkOperation 跟踪一组block的执行情况。

自定义Operation对象

如果 NSInvocationOperation 对象和 NSBlockOperation 对象都不能满足我们的需求，那么我们可以自己写一个类去继承 NSOperation ，然后实现我们的需求。在实现自定义Operation对象时，分并发执行任务的Operation对象和非并发执行任务的Operation对象。

自定义非并发Operation对象

实现非并发Operation对象相对要简单一些，通常，我们最少要实现两个方法：

• 自定义初始化方法：主要用于在初始化自定义Operation对象时传递必要的参数。
• main 方法：该方法就是处理主要任务的地方，你需要执行的任务都在这个方法里。

当然除了上面两个必须的方法外，也可以有被 main 方法调用的私有方法，或者属性的 get 、 set 方法。下面以一个网络请求的例子展示如何创建自定义的Operation对象：

import Foundation class MyNonconcurrentOperation: NSOperation {     var url: String?     init(withURL url: String) {         self.url = url      }     override func main() {         // 1.         guard let strURL = self.url else {             return          }         // 2.         var nsurl = NSURL(string: strURL)         // 3.         var session: NSURLSession? = NSURLSession.sharedSession()         // 4.         var dataTask: NSURLSessionDataTask? = session!.dataTaskWithURL(nsurl!, completionHandler: { (nsdata, nsurlrespond, nserror) in             if let error = nserror {                 print("出现异常：/(error.localizedDescription)")             } else {                 do {                     let dict = try NSJSONSerialization.JSONObjectWithData(nsdata!, options: NSJSONReadingOptions.MutableContainers)                            print(dict)                  } catch {                                 print("出现异常")                    }              }           })         // 5.         dataTask!.resume()          sleep(10)         }    } let myNonconcurrentOperation = MyNonconcurrentOperation(withURL: "http://www.baidu.com/s?wd=ios") myNonconcurrentOperation.start()

我们创建了自定义的Operation类 MyNonconcurrentOperation ，让其继承 NSOperation ，在 MyNonconcurrentOperation 中可以看到只有两个方法 init 和 main ，前者是该类的初始化方法，主要作用是初始化 url 这个参数，后者包含了任务的主体逻辑代码，我们来分析一下代码：

1. 我们在初始化 MyNonconcurrentOperation 时，传入了我们希望请求的网络地址，改地址正确与否关系着我们这个任务是否还值得继续往下走，所以在 main 方法一开始先判断一下 url 的合法性，示例代码中判断的很简单，实际中应该使用正则表达式去判断一下。
2. 将字符串URL转换为 NSURL 。
3. 创建 NSURLSession 实例。
4. 调用 NSURLSession 实例的 dataTaskWithURL 方法，创建 NSURLSessionDataTask 类的实例，用于请求网络。在 completionHandler 的闭包中去判断请求是否成功，返回数据是否正确以及解析数据等操作。
5. 执行 NSURLSessionDataTask 请求网络。

当我们调用 MyNonconcurrentOperation 的 start 方法时，就会执行 main 方法里的逻辑了，这就是一个简单的非并发自定义Operation对象，之所以说它是非并发，因为它一般都在当前线程中执行任务，既如果你在主线程中初始化它，调用它的 start 方法，那么它就在主线程中执行，如果在二级线程中进行这些操作，那么就在二级线程中执行。

响应取消事件

一般情况下，当Operation对象开始执行时，就会一直执行任务，不会中断执行，但是有时需要在任务执行一半时终止任务，这时就需要Operation对象有响应任务终止命令的能力。理论上，在Operation对象执行任务的任何时间点都可以调用 NSOperation 类的 cancel 方法终止任务，那么在我们自定义的Operation对象中如何实现响应任务终止呢？我们看看下面的代码：

import Foundation class MyNonconcurrentOperation: NSOperation {     var url: String?     init(withURL url: String) {         self.url = url     }     override func main() {         // 1.         if self.cancelled {             return          }          guard let strURL = self.url else {             return         }         var nsurl = NSURL(string: strURL)         var session: NSURLSession? = NSURLSession.sharedSession()         // 2.         if self.cancelled {             nsurl = nil             session = nil             return         }         var dataTask: NSURLSessionDataTask? = session!.dataTaskWithURL(nsurl!, completionHandler: { (nsdata, nsurlrespond, nserror) in             if let error = nserror {                 print("出现异常：/(error.localizedDescription)")             } else {                 // 4.                 if self.cancelled {                     nsurl = nil                     session = nil                     return                 }                 do {                     let dict = try NSJSONSerialization.JSONObjectWithData(nsdata!, options: NSJSONReadingOptions.MutableContainers)                     print(dict)                 } catch {                           print("出现异常")                      }               }         })         // 3.         if self.cancelled {             nsurl = nil             session = nil             dataTask = nil             return         }         dataTask!.resume()          sleep(10)            }     } let myNonconcurrentOperation = MyNonconcurrentOperation(withURL: "http://www.baidu.com/s?wd=ios") myNonconcurrentOperation.start() myNonconcurrentOperation.cancel()

从上述代码中可以看到，在 main 方法里加了很多对 self.cancelled 值的判断，没错，这就是响应终止执行任务的关键，因为当调用了 NSOperation 的 cancel 方法后， cancelled 属性就会被置为 flase ，当判断到该属性的值为 false 时，代表当前任务已经被取消，我们只需释放资源返回即可。我们只有在整个任务逻辑代码中尽可以细的去判断 cancelled 属性，才可以达到较为实时的终止效果。上面代码中我分别在四个地方判断了 cancelled 属性：

1. 在任务开始之前。
2. 任务开始不久，这里刚创建了 NSURL 和 NSURLSession ，所以如果判断出任务已被取消，则要释放它们的内存地址。
3. 开始请求网络之前，这里同样要释放已经创建的变量内存地址。
4. 网络请求期间。

自定义并发Operation对象

自定义并发Operation对象其主要实现的就是让任务在当前线程以外的线程执行，相对于非并发Operation对象注意的事项要更多一些，我们先来看要实现的两个方法：

• init ：该方法和非并发Operation对象中的作用一样，用于初始化一些属性。
• start ：该方法是自定义并发Operation对象必须要重写父类的一个方法，通常就在这个方法里创建二级线程，让任务运行在当前线程以外的线程中，从而达到并发异步执行任务的目的，所以这个方法中绝对不能调用父类的 start 方法。
• main ：该方法在非并发Operation对象中就说过，这里的作用的也是一样的，只不过在并发Operation对象中，该方法并不是必须要实现的方法，因为在 start 方法中就可以完成所有的事情，包括创建线程，配置执行环境以及任务逻辑，但我还是建议将任务相关的逻辑代码都写在该方法中，让 start 方法只负责执行环境的设置。

除了上述这三个方法以外，还有三个属性需要我们重写，就是 NSOperation 类中的 executing 、 finished 、 concurrent 三个属性，这三个属性分别表示Operation对象是否在执行，是否执行完成以及是否是并发状态。因为并发异步执行的Operation对象并不会阻塞主线程，所以使用它的对象需要知道它的执行情况和状态，所以这三个状态是必须要设置的，下面来看看示例代码：

import Foundation class MyConcurrentOperation: NSOperation {     var url: String?     private var ifFinished: Bool     private var ifExecuting: Bool     override var concurrent: Bool {         get { return true }     }     override var finished: Bool {         get { return self.ifFinished }     }     override var executing: Bool {         get { return self.ifExecuting }     }     init(withURL url: String) {         self.url = url         self.ifFinished = false         self.ifExecuting = false     }     override func start() {         if self.cancelled {             self.willChangeValueForKey("finished")             self.ifFinished = true             self.didChangeValueForKey("finished")             return         } else {             self.willChangeValueForKey("executing")             NSThread.detachNewThreadSelector("main", toTarget: self, withObject: nil)             self.ifExecuting = true             self.didChangeValueForKey("executing")         }     }     override func main() {         autoreleasepool{             guard let strURL = self.url else {                 return             }             var nsurl = NSURL(string: strURL)             var session: NSURLSession? = NSURLSession.sharedSession()             if self.cancelled {                 nsurl = nil                 session = nil                 self.completeOperation()                 return             }             var dataTask: NSURLSessionDataTask? = session!.dataTaskWithURL(nsurl!, completionHandler: { (nsdata, nsurlrespond, nserror) in                 if let error = nserror {                     print("出现异常：/(error.localizedDescription)")                 } else {                     if self.cancelled {                         nsurl = nil                         session = nil                         self.completeOperation()                         return                     }                     do {                         let dict = try NSJSONSerialization.JSONObjectWithData(nsdata!, options: NSJSONReadingOptions.MutableContainers)                         print(dict)                         self.completeOperation()                     } catch {                         print("出现异常")                         self.completeOperation()                     }                 }             })             if self.cancelled {                 nsurl = nil                 session = nil                 dataTask = nil                 self.completeOperation()                 return             }             dataTask!.resume()          }     }     func completeOperation() {         self.willChangeValueForKey("finished")         self.willChangeValueForKey("executing")         self.ifFinished = true         self.ifExecuting = false         self.didChangeValueForKey("finished")         self.didChangeValueForKey("executing")     } }

由于 NSOperation 的 finished 、 executing 、 concurrent 这三个属性都是只读的，我们无法重写它们的 setter 方法，所以我们只能靠新建的私有属性去重写它们的 getter 方法。为了自定义的Operation对象更像原生的 NSOperation 子类，我们需要通过 willChangeValueForKey 和 didChangeValueForKey 方法手动为 ifFinished 和 ifExecuting 这两个属性生成KVO通知，将 keyPath 设置为原生的 finished 和 executing 。

上面的代码示例中有几个关键点：

• 在 start 方法开始之初就要判断一下Operation对象是否被终止任务。
• main 方法中的内容要放在 autoreleasepool 中，解决在二级线程中的内存释放问题。
• 如果判断出Operation对象的任务已经被终止，要及时修改 ifFinished 和 ifExecuting 属性。

我们可以测试一下这个自定义的Operation对象：

import Foundation class Test: NSObject {     private var myContext = 0     let myConcurrentOperation = MyConcurrentOperation(withURL: "http://www.baidu.com/s?wd=ios")     func launch() {         myConcurrentOperation.addObserver(self, forKeyPath: "finished", options: .New, context: &myContext)         myConcurrentOperation.addObserver(self, forKeyPath: "executing", options: .New, context: &myContext)         myConcurrentOperation.start()         sleep(5)         print(myConcurrentOperation.executing)         print(myConcurrentOperation.finished)         print(myConcurrentOperation.concurrent)           sleep(10)     }     override func observeValueForKeyPath(keyPath: String?, ofObject object: AnyObject?, change: [String : AnyObject]?, context: UnsafeMutablePointer<Void>) {         if let change = change where context == &myContext {             if keyPath == "finished" {                 print("Finish status has been changed, The new value is /(change[NSKeyValueChangeNewKey]!)")             } else if keyPath == "executing" {                 print("Executing status has been changed, The new value is /(change[NSKeyValueChangeNewKey]!)")             }         }     }     deinit {         myConcurrentOperation.removeObserver(self, forKeyPath: "finished", context: &myContext)         myConcurrentOperation.removeObserver(self, forKeyPath: "executing", context: &myContext)     } } let test = Test() test.launch()

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