16、iOS与OS X多线程编程全解析

iOS与OS X多线程编程全解析

在iOS和OS X开发中，多线程编程是提升应用性能和用户体验的关键技术。本文将详细介绍多线程编程的多种方法，包括线程创建、同步、使用Grand Central Dispatch（GCD）、NSOperation和NSOperationQueue，以及在后台完成任务等内容。

1. 线程创建与基本操作

线程创建是多线程编程的基础。在iOS和所有版本的OS X中，可以使用 NSThread 的 detachNewThreadSelector:toTarget:withObject: 方法立即启动一个新线程。不过，线程虽然能提升性能，但也会带来额外的开销，每个线程都会消耗内存和CPU时间。

以下是线程创建的成本：
| 项目 | 成本 | 说明 |
| ---- | ---- | ---- |
| 内核数据 | 约1 KB | 包含线程自身及其属性的信息，此数据不能分页到磁盘 |
| 栈（主线程 - iOS） | 1 MB | 线程创建时在进程空间中预留，最小可分配16 KB，栈大小必须是4 KB的倍数 |
| 栈（主线程 - OS X） | 8 MB | 同上 |
| 栈（次要线程） | 512 KB | 同上 |
| 线程创建时间 | 约90微秒 | 从线程创建调用到入口方法调用的时间 |

下面是一个使用 detachNewThreadSelector:toTarget:withObject: 创建线程的示例代码：

@objc class MyThreadClass {
    func threadMethod(object : AnyObject?) {
        for i in 1...1000 {
            println("Thread Loop Iteration #\(i)")
        }
    }
}

class ViewController: UIViewController {
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        var myInstance = MyThreadClass()
        NSThread.detachNewThreadSelector("threadMethod:", toTarget: myInstance, withObject: nil)
    }
}

在这个示例中，线程会立即启动，当选择器指定的方法退出时，线程会被移除。

另一个类似的方法是 NSThread.initWithTarget:selector:object: ，它接收相同的信息，但不会立即启动线程。需要启动线程时，调用 start 方法。使用这个方法，可以在启动线程之前设置线程属性，如栈大小和优先级：

var thread = NSThread(target: myInstance, selector: "threadMethod:", object: nil)
thread.stackSize = 16000
thread.threadPriority = 0.75
thread.start()

2. 线程同步

当多个线程访问共享资源时，可能会出现数据不一致和输出混乱的问题。为了解决这个问题，可以使用 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 来锁定资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。

以下是一个线程同步的示例代码：

import UIKit
@objc class MyThreadClass {
    func threadMethod(object : AnyObject?) {
        for i in 1...1000 {
            objc_sync_enter(object)
            println("Loop Iteration #\(i)")
            objc_sync_exit(object)
        }
    }
}

class ViewController: UIViewController {
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        var myInstance = MyThreadClass()
        NSThread.detachNewThreadSelector("threadMethod:", toTarget: myInstance, withObject: myInstance)
        var thread = NSThread(target: myInstance, selector: "threadMethod:", object: myInstance)
        thread.stackSize = 16000
        thread.threadPriority = 0.75
        thread.start()
    }
}

在这个示例中，通过 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 锁定资源，确保每次只有一个线程可以执行 println 语句，从而避免了输出混乱的问题。

3. 使用Grand Central Dispatch（GCD）

GCD是一种用于管理并发操作和在后台执行任务的高效方法。它提供了三种类型的队列：主队列、并发队列和串行队列。

• 主队列 ：任务按FIFO顺序在应用的主线程上顺序执行。
• 并发队列 ：任务按FIFO顺序执行，但可以并行运行，完成顺序不定。
• 串行队列 ：任务按FIFO顺序顺序执行。

通常，使用 dispatch_async 将任务添加到指定队列，它接收两个参数：队列和要执行的代码块。以下是一个使用GCD处理网络数据下载的示例代码：

import UIKit
class ViewController: UIViewController {
    var label : UILabel!
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        label = UILabel(frame: CGRect(x: 0.0, y: 0.0, width: 200.0, height: 20.0))
        label.center = self.view.center
        label.text = "Loading..."
        self.view.addSubview(label)
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0)) {
            self.longRunningTask()
        }
    }

    func longRunningTask() {
        sleep(3)
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue()) {
            self.label.text = "Complete."
        }
    }
}

在这个示例中，通过 dispatch_async 将长时间运行的任务添加到高优先级的全局并发队列中，在任务完成后，再通过 dispatch_async 将更新UI的任务添加到主队列中。

4. 使用NSOperation和NSOperationQueue

当需要执行具有依赖关系的异步任务，并且可能需要取消、暂停或重用任务时，可以使用 NSOperation 和 NSOperationQueue 。

以下是一个使用 NSOperation 和 NSOperationQueue 的示例代码：

import UIKit
class ViewController: UIViewController {
    var serialQueue: NSOperationQueue?
    var mainQueue: NSOperationQueue?
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        mainQueue = NSOperationQueue.mainQueue()
        serialQueue = NSOperationQueue()
        serialQueue?.maxConcurrentOperationCount = 1
        var progress = UIProgressView(frame: CGRect(x:0,y:0,width: 200, height: 30))
        progress.center = self.view.center
        self.view.addSubview(progress)
        serialQueue?.addOperationWithBlock() {
            self.mainQueue?.addOperationWithBlock() {
                progress.setProgress(0.0, animated: false)
            }
            for i in 1...1000000 {
                if i % 1000 == 0 {
                    self.mainQueue?.addOperationWithBlock() {
                        var percentDone = Float(i/100000)
                        progress.setProgress(percentDone, animated: true)
                    }
                }
            }
        }
    }
}

在这个示例中，创建了一个串行队列和主队列，将任务添加到串行队列中执行，并在任务执行过程中更新进度条。

5. 在iOS后台完成任务

在iOS中，当应用进入后台时，系统会将其移动到后台并最终暂停，以优化内存、CPU和电池寿命。但有时需要在应用暂停前完成某些任务，可以使用 UIApplication.beginBackgroundTaskWithName:expirationHandler: 或 UIApplication.beginBackgroundTaskWithExpirationHandler: 方法请求更多时间来完成操作。

以下是一个在应用进入后台时启动长时间运行任务的示例代码：

func applicationDidEnterBackground(application: UIApplication) {
    var taskToken : UIBackgroundTaskIdentifier = UIBackgroundTaskInvalid
    taskToken = application.beginBackgroundTaskWithExpirationHandler { () -> Void in
        application.endBackgroundTask(taskToken)
        taskToken = UIBackgroundTaskInvalid
    }
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0)) {
        println("Perform a long running task such as saving data")
        application.endBackgroundTask(taskToken)
        taskToken = UIBackgroundTaskInvalid
    }
}

在这个示例中，当应用进入后台时，创建一个后台任务令牌，并使用 dispatch_async 将任务添加到全局并发队列中执行。任务完成后，调用 UIApplication.endBackgroundTask: 方法通知系统任务已完成。

总结

多线程编程是iOS和OS X开发中不可或缺的一部分。通过合理使用线程创建、同步、GCD、NSOperation和NSOperationQueue等技术，可以有效提升应用的性能和用户体验。同时，在后台完成任务的机制也为应用提供了更好的灵活性和稳定性。在实际开发中，需要根据具体需求选择合适的多线程编程方法。

6. 下载内容到后台

在联网应用中，从互联网、本地网络或移动数据网络下载数据和图像是常见需求。由于下载任务可能耗时较长，为避免应用无响应，可使用GCD将下载任务异步处理。

以下是一个使用GCD进行异步下载的示例：

import UIKit
class ViewController: UIViewController {
    var imageView: UIImageView!
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        imageView = UIImageView(frame: CGRect(x: 0, y: 0, width: 200, height: 200))
        imageView.center = self.view.center
        self.view.addSubview(imageView)
        // 模拟下载任务
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0)) {
            let url = URL(string: "https://example.com/image.jpg")!
            let data = try? Data(contentsOf: url)
            if let imageData = data, let image = UIImage(data: imageData) {
                dispatch_async(dispatch_get_main_queue()) {
                    self.imageView.image = image
                }
            }
        }
    }
}

在这个示例中，通过 dispatch_async 将下载任务添加到全局并发队列中执行，下载完成后，再通过 dispatch_async 将更新UI的任务添加到主队列中。

7. 多线程编程的注意事项

在进行多线程编程时，需要注意以下几点：
- 资源竞争 ：多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致和输出混乱的问题。可使用线程同步机制，如 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 来解决。
- 性能开销 ：线程的创建和管理会带来额外的性能开销，因此需要合理使用线程，避免创建过多的线程。
- UI更新 ：只能在主线程上更新UI，否则会导致UI更新不及时或出现异常。可使用GCD或 NSOperationQueue.mainQueue() 将UI更新任务添加到主队列中执行。
- 异常处理 ：在多线程编程中，异常处理尤为重要。需要确保在任务执行过程中捕获并处理异常，避免应用崩溃。

多线程编程流程总结

为了更清晰地展示多线程编程的流程，下面给出一个mermaid格式的流程图：

graph LR
    A[开始] --> B{选择编程方法}
    B --> |NSThread| C[创建线程]
    B --> |GCD| D[选择队列类型]
    B --> |NSOperationQueue| E[创建队列和操作]
    C --> F[设置线程属性]
    C --> G[启动线程]
    D --> H{主队列}
    D --> I{并发队列}
    D --> J{串行队列}
    H --> K[添加任务到主队列]
    I --> L[添加任务到并发队列]
    J --> M[添加任务到串行队列]
    E --> N[设置队列属性]
    E --> O[添加操作到队列]
    F --> P[执行线程任务]
    G --> P
    K --> Q[执行主队列任务]
    L --> R[并发执行任务]
    M --> S[顺序执行任务]
    O --> T[执行操作任务]
    P --> U{是否需要同步}
    Q --> U
    R --> U
    S --> U
    T --> U
    U --> |是| V[使用同步机制]
    U --> |否| W[继续执行]
    V --> W
    W --> X[任务完成]
    X --> Y[结束]

总结

多线程编程是iOS和OS X开发中的重要技术，它可以显著提升应用的性能和响应速度。本文详细介绍了多种多线程编程方法，包括线程创建、同步、使用GCD、NSOperation和NSOperationQueue，以及在后台完成任务等内容。同时，还给出了相应的示例代码和注意事项，帮助开发者更好地掌握多线程编程技术。

在实际开发中，需要根据具体需求选择合适的多线程编程方法。如果需要简单的线程创建和管理，可以使用 NSThread ；如果需要高效地管理并发任务，可以使用GCD；如果需要处理具有依赖关系的任务，可以使用 NSOperation 和 NSOperationQueue 。同时，要注意线程同步、性能开销、UI更新和异常处理等问题，确保应用的稳定性和可靠性。

通过合理运用多线程编程技术，可以为用户提供更流畅、更高效的应用体验。希望本文对开发者在多线程编程方面有所帮助。