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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：
- 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。
- 将字符串URL转换为NSURL。
- 创建NSURLSession实例。
- 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。
- 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。
注：如果在二级线程中使用非并发自定义Operation对象，那么main方法中的内容应该使用autoreleasepool{}包起来。因为如果在二级线程中，没有主线程的自动释放池，一些资源没法被回收，所以需要加一个自动释放池，如果在主线程中就不需要了。
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：
- 在任务开始之前。
- 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。
- 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。
- 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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