iOS 多线程开发之系列文章
多线程开发是日常开发任务中不可缺少的一部分,在 iOS 开发中常用到的多线程开发技术有 GCD、Operation
、Thread
,本文主要讲解多线系列文章中关于 Operation
的相关知识和使用详解。
简介
Operation
是苹果公司提供的一套完整的多线程解决方案,实际上它是基于 GCD
更高一层的封装,完全面向对象。相对于 GCD 而言使用更加的简单、代码更具可读性。包括网络请求、图片压缩在内的诸多多线程任务案例都很好的使用了 Operation。当然 Operation 还需要 OperationQueue
这一重要角色配合使用。其中 Operation 是个抽象类,使用它必须用它的子类,可以实现它或者使用它定义好的子类:BlockOperation。创建 Operation 子类的对象,把对象添加到 OperationQueue 队列里执行。
BlockOperation
单任务
let op = BlockOperation{
print("单任务:(Thread.current)")
}
op.start()
运行结果:
单任务:<NSThread: 0x6000008e03c0>{number = 1, name = main}
let op = BlockOperation()
op.addExecutionBlock {
print("任务一:(Thread.current)")
}
op.start()
运行结果:
任务一:<NSThread: 0x600002e28080>{number = 1, name = main}
总结:
在主线程中单独使用 BlockOperation 执行一个操作的情况下,操作是在当前线程执行的,并没有开启新线程。
多任务
private func testOperationBlock() {
let op = BlockOperation()
///任务一
op.addExecutionBlock {
print("任务一:\(Thread.current)")
}
///任务二
op.addExecutionBlock {
print("任务二:\(Thread.current)")
}
///任务三
op.addExecutionBlock {
print("任务三:\(Thread.current)")
}
op.start()
print("结束")
}
结果:
任务二:<NSThread: 0x600003ee8900>{number = 6, name = (null)}
任务一:<NSThread: 0x600003ead6c0>{number = 7, name = (null)}
任务三:<NSThread: 0x600003ea4900>{number = 1, name = main}
结束
总结:
- BlockOperation 还提供了一个方法 addExecutionBlock,通过 addExecutionBlock: 就可以为 BlockOperation 添加额外的操作。这些操作(包括 blockOperationWithBlock 中的操作)可以在不同的线程中同时(并发)执行。只有当所有相关的操作已经完成执行时,才视为完成。
- 使用子类 BlockOperation,并调用方法 AddExecutionBlock: 的情况下,blockOperationWithBlock:方法中的操作 和 addExecutionBlock: 中的操作是在不同的线程中异步执行的。而且,这次执行结果中 blockOperationWithBlock:方法中的操作也不是在当前线程(主线程)中执行的。从而印证了blockOperationWithBlock: 中的操作也可能会在其他线程(非当前线程)中执行。
- 一般情况下,如果一个 BlockOperation 对象封装了多个操作。BlockOperation 是否开启新线程,取决于操作的个数。如果添加的操作的个数多,就会自动开启新线程。当然开启的线程数是由系统来决定的。
自定义 Operation
非并发 Operation
对于非并发的操作,在子类的 Operation 中,只需要复写 main()
就可以了。
在 main() 方法中,写一些任务执行的代码 等,另外在子类中可能还需要写一些初始化方法,以及一些访问读取数据的方法等等。
至于 Operation 的几种状态,我们是不需要关心的,当 main() 方法执行完毕,即 Operation 任务结束。
Operation 类中还提供了 cancel()
的方法,所以在 Operation 执行的时候需要判断是否已经取消了,因为取消操作可能在开始之前就执行了,也可能在任务执行过程中,所以代码中需要加入 isCancelled
的判断。
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
let op = MyOpertaion(data: "自定义Operation")
op.start()
}
}
class NonConcurrentOperation: Operation {
var data: Any?
init(data: Any) {
super.init()
self.data = data
}
override func main() {
var isDone = false
while !isCancelled && !isDone {
// 在此方法中做一些相关业务操作等,并在完成后将isDone设置为true
print("自定义Operation:\(Thread.current)")
// ......
isDone = true
}
}
}
运行结果:
自定义Operation:<NSThread: 0x6000030781c0>{number = 1, name = main}
并发 Operation
Operation 对象默认以同步方式执行,也就是说,在调用 start()
方法的线程中执行任务。但是,由于 OperationQueue 为非并发操作提供线程,所以大多数 Operation 仍然是异步运行的。但是,如果我们手动使用 Operation,不用 OperationQueue,并且仍然希望它们异步运行,则必须采取适当的操作来确保能够做到这一点。我们可以通过将 Operation 对象定义为并发操作来实现这一点。至于并发的 Operation,稍微有些复杂了,因为这里面的状态需要开发人员来管控。
创建一个并发的 Operation,则至少需要复写以下的方法和属性:
- start()
- isAsynchronous
- isExecuting
- isFinished
import Foundation
public class ConcurrentOperation: Operation {
public var completedBlock: (() -> Void)?
public override var isExecuting: Bool{
return _executing
}
public override var isFinished: Bool{
return _finished
}
public override var isAsynchronous: Bool{
return true
}
// MARK: -
// MARK: 利用 KVO 来通知 Operation 的 isExecuting(是否正在进行中),以及 isFinished(是否已经完成)
//指定用于记录任务是否执行
private var _executing:Bool = false{
// kvo isExecuting
willSet{
willChangeValue(forKey: ModifyState.isExecuting.rawValue)
}
didSet{
didChangeValue(forKey: ModifyState.isExecuting.rawValue)
}
}
// 指定用于记录任务是否完成
private var _finished:Bool = false{
// kvo isFinished
willSet{
willChangeValue(forKey: ModifyState.isFinished.rawValue)
}
didSet{
didChangeValue(forKey: ModifyState.isFinished.rawValue)
}
}
// MARK: -
/// 修改状态枚举(重写状态的字段标识)
private enum ModifyState: String{
case isExecuting = "isExecuting"
case isFinished = "isFinished"
}
// MARK: 重写 start() 方法,开辟新的线程执行需要的耗时工作。
// MARK: 注意! 不能调用父类的 start() 方法。
// MARK: 因为 Operation 有 cancel() 方法来取消操作,而且我们并不知道在何时取消,所以我们需要在几个地方注意是否取消了操作.
public override func start() {
// 检测取消状态
if isCancelled {
done()
return
}
// 修改状态 -> 执行
_executing = true
// 开启任务->并行,完成回调测试
startTask()
}
// 开启任务(模拟耗时任务)
private func startTask(){
DispatchQueue.global().async { [weak self] in
print("线程:",Thread.current)
// 耗时
sleep(2)
for i in 0...2{
print("\(i)")
}
// 检测状态
if self?.isCancelled ?? false{
self?.done()
return
}
DispatchQueue.main.async { [weak self] in
// 完成
self?.completedBlock?()
self?.done()
}
}
}
// 重写取消
public override func cancel() {
// 加锁保证线程安全
objc_sync_enter(self)
done()
objc_sync_exit(self)
}
// 自定义 cancel
private func done() {
super.cancel()
print("done start",isCancelled)
if(_executing) {
_finished = true
_executing = false
}
print("done end",isCancelled)
}
}
创建队列
OperationQueue 一共有主队列、自定义队列两种队列。其中自定义队列同时包含了串行、并发功能。下边是主队列、自定义队列的基本创建方法和特点。
主队列
凡是添加到主队列中的操作,都会放到主线程中执行(注:不包括操作使用addExecutionBlock:添加的额外操作,额外操作可能在其他线程执行)。
主队列获取方法:
let mainQueue = OperationQueue.main
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
let mainQueue = OperationQueue.main
let operation1 = BlockOperation {
print("任务一:\(Thread.current)")
}
let opertaion2 = BlockOperation {
print("任务二:\(Thread.current)")
}
let opertaion3 = BlockOperation {
print("任务三:\(Thread.current)")
}
let opertaion4 = BlockOperation {
print("任务四:\(Thread.current)")
}
mainQueue.addOperation(operation1)
mainQueue.addOperation(opertaion2)
mainQueue.addOperation(opertaion3)
mainQueue.addOperation(opertaion4)
}
}
运行结果:
任务一:<NSThread: 0x6000009bc280>{number = 1, name = main}
任务二:<NSThread: 0x6000009bc280>{number = 1, name = main}
任务三:<NSThread: 0x6000009bc280>{number = 1, name = main}
任务四:<NSThread: 0x6000009bc280>{number = 1, name = main}
自定义队列
添加到这种队列中的操作,就会自动放到子线程中执行。
自定义队列创建方法
let queue = OperationQueue()
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
let queue = OperationQueue()
// 最大并发数
queue.maxConcurrentOperationCount = 4
let operation1 = BlockOperation {
print("任务一 = \(Thread.current)")
}
let operation2 = BlockOperation {
print("任务二 = \(Thread.current)")
}
let operation3 = BlockOperation {
print("任务三 = \(Thread.current)")
}
let operation4 = BlockOperation {
print("任务四 = \(Thread.current)")
}
queue.addOperation(operation1)
queue.addOperation(operation2)
queue.addOperation(operation3)
queue.addOperation(operation4)
}
}
运行结果:
任务三 = <NSThread: 0x600000bd6980>{number = 4, name = (null)}
任务二 = <NSThread: 0x600000ba1dc0>{number = 7, name = (null)}
任务一 = <NSThread: 0x600000bf6500>{number = 6, name = (null)}
任务四 = <NSThread: 0x600000bf7100>{number = 5, name = (null)}
OperationQueue 控制串行执行、并发执行
最大并发操作数:maxConcurrentOperationCount
- maxConcurrentOperationCount 默认情况下为
-1
,表示不进行限制,可进行并发执行。 - maxConcurrentOperationCount
等于 1 时
,队列为串行队列。只能串行执行。 - maxConcurrentOperationCount
大于 1 时
,队列为并发队列。操作并发执行,当然这个值不应超过系统限制,即使自己设置一个很大的值,系统也会自动调整为 min {自己设定的值,系统设定的默认最大值}。
maxConcurrentOperationCount = 1 时
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
print("start")
let queue = OperationQueue()
queue.maxConcurrentOperationCount = 1; // 串行队列
queue.addOperation {
sleep(2)
print("0---\(Date())\(Thread.current)")
}
queue.addOperation {
sleep(2)
print("1---\(Date())\(Thread.current)")
}
let operation1 = BlockOperation.init {
sleep(2)
print("2---\(Date())\(Thread.current)")
}
operation1.addExecutionBlock {
sleep(2)
print("3---\(Date())\(Thread.current)")
}
queue.addOperation(operation1)
print("end")
}
}
运行结果:
start
end
0---2021-07-21 08:30:46 +0000<NSThread: 0x600003f23140>{number = 6, name = (null)}
1---2021-07-21 08:30:48 +0000<NSThread: 0x600003f2d540>{number = 5, name = (null)}
2---2021-07-21 08:30:50 +0000<NSThread: 0x600003f23140>{number = 6, name = (null)}
3---2021-07-21 08:30:50 +0000<NSThread: 0x600003f2d540>{number = 5, name = (null)}
maxConcurrentOperationCount > 1 时
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
print("start")
let queue = OperationQueue()
queue.maxConcurrentOperationCount = 4; // 串行队列
queue.addOperation {
sleep(2)
print("0---\(Date())\(Thread.current)")
}
queue.addOperation {
sleep(2)
print("1---\(Date())\(Thread.current)")
}
let operation1 = BlockOperation.init {
sleep(2)
print("2---\(Date())\(Thread.current)")
}
operation1.addExecutionBlock {
sleep(2)
print("3---\(Date())\(Thread.current)")
}
queue.addOperation(operation1)
print("end")
}
}
运行结果:
start
end
0---2021-07-21 08:33:23 +0000<NSThread: 0x600001aa89c0>{number = 2, name = (null)}
1---2021-07-21 08:33:23 +0000<NSThread: 0x600001aace00>{number = 6, name = (null)}
2---2021-07-21 08:33:23 +0000<NSThread: 0x600001aa07c0>{number = 4, name = (null)}
3---2021-07-21 08:33:23 +0000<NSThread: 0x600001aa85c0>{number = 3, name = (null)}
Operation 操作依赖
Operation、OperationQueue 最吸引人的地方是它能添加操作之间的依赖关系。通过操作依赖,我们可以很方便的控制操作之间的执行先后顺序。Operation 提供了 3 个接口供我们管理和查看依赖。
添加依赖
func addDependency(_ op: Operation);
添加依赖,使当前操作依赖于操作 op 的完成。
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
testDependency()
}
//测试op依赖关系
//A,B - C
//C,D - E
func testDependency(){
let opA = BlockOperation()
let opB = BlockOperation()
let opC = BlockOperation()
let opD = BlockOperation()
let opE = BlockOperation()
///创建任务
opA.addExecutionBlock {
for i in 0...10{
if i == 10{
print("A--\(i)")
}
}
}
opB.addExecutionBlock {
for i in 0...10{
if i == 10{
print("B--\(i)")
}
}
}
opC.addExecutionBlock {
for i in 0...10{
if i == 10{
print("C--\(i)")
}
}
}
opD.addExecutionBlock {
for i in 0...10{
if i == 10{
print("D--\(i)")
}
}
}
opE.addExecutionBlock {
for i in 0...10{
if i == 10{
print("E--\(i)")
}
}
}
///添加依赖
opC.addDependency(opA)
opC.addDependency(opB)
opE.addDependency(opC)
opE.addDependency(opD)
let queue = OperationQueue()
queue.maxConcurrentOperationCount = 6
queue.addOperations([opA,opB,opC,opD,opE], waitUntilFinished: false)
print("end")
}
}
移除依赖
func removeDependency(_ op: Operation);
移除依赖,取消当前操作对操作 op 的依赖。
获取依赖
var dependencies: [Operation] { get };
在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。
小心死锁:
如果Operation
之间互相依赖,比如队列 A 中的 Operation1
依赖Operation2
, 而 Operation2
依赖 Operation3
,Operation3
依赖 Operation1
, 这就会陷入互相等待的死锁。
Operation 优先级
Operation 提供了 queuePriority
(优先级)属性,queuePriority
属性适用于同一操作队列中的操作,不适用于不同操作队列中的操作。默认情况下,所有新创建的操作对象优先级都是 normal
。但是我们可以通过 setQueuePriority:
方法来改变当前操作在同一队列中的执行优先级。
优先级的取值:
public enum QueuePriority : Int {
case veryLow = -8
case low = -4
case normal = 0
case high = 4
case veryHigh = 8
}
上边我们说过:对于添加到队列中的操作,首先进入准备就绪的状态(就绪状态取决于操作之间的依赖关系),然后进入就绪状态的操作的开始执行顺序(非结束执行顺序)由操作之间相对的优先级决定(优先级是操作对象自身的属性)。
那么,什么样的操作才是进入就绪状态的操作呢?
当一个操作的所有依赖都已经完成时,操作对象通常会进入准备就绪状态,等待执行。
举个例子,现在有 4 个优先级都是 normal(默认级别)的操作:op1,op2,op3,op4。其中 op3 依赖于 op2,op2 依赖于 op1,即 op3 -> op2 -> op1。现在将这 4 个操作添加到队列中并发执行。
-
因为 op1 和 op4 都没有需要依赖的操作,所以在 op1,op4 执行之前,就是处于准备就绪状态的操作。
-
而 op3 和 op2 都有依赖的操作(op3 依赖于 op2,op2 依赖于 op1),所以 op3 和 op2 都不是准备就绪状态下的操作。理解了进入就绪状态的操作,那么我们就理解了queuePriority 属性的作用对象。
-
queuePriority 属性决定了进入准备就绪状态下的操作之间的开始执行顺序。并且,优先级不能取代依赖关系。
-
如果一个队列中既包含高优先级操作,又包含低优先级操作,并且两个操作都已经准备就绪,那么队列先执行高优先级操作。比如上例中,如果 op1 和 op4 是不同优先级的操作,那么就会先执行优先级高的操作。
-
如果,一个队列中既包含了准备就绪状态的操作,又包含了未准备就绪的操作,未准备就绪的操作优先级比准备就绪的操作优先级高。那么,虽然准备就绪的操作优先级低,也会优先执行。优先级不能取代依赖关系。如果要控制操作间的启动顺序,则必须使用依赖关系。
示例:
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
testQueuePriority()
}
func testQueuePriority(){
let opA = BlockOperation()
let opB = BlockOperation()
let opC = BlockOperation()
opA.addExecutionBlock {
print("任务一:\(Thread.current)")
}
opB.addExecutionBlock {
print("任务二:\(Thread.current)")
}
opC.addExecutionBlock {
print("任务三:\(Thread.current)")
}
opA.queuePriority = .low
opB.queuePriority = .high
opC.queuePriority = .normal
let queue = OperationQueue()
queue.maxConcurrentOperationCount = 3
queue.addOperations([opA, opB, opC], waitUntilFinished: false)
}
}
Operation、OperationQueue 线程间的通信
在 iOS 开发过程中,我们一般在主线程里边进行 UI 刷新,例如:点击、滚动、拖拽等事件。我们通常把一些耗时的操作放在其他线程,比如说图片下载、文件上传等耗时操作。而当我们有时候在其他线程完成了耗时操作时,需要回到主线程,那么就用到了线程之间的通讯。
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
communication()
}
///线程间通信
func communication() {
OperationQueue().addOperation {
sleep(2)
print("1---\(Date())\(Thread.current)")
OperationQueue.main.addOperation({
sleep(2)
print("2---\(Date())\(Thread.current)")
})
}
}
}
可以看到:通过线程间的通信,先在其他线程中执行操作,等操作执行完了之后再回到主线程执行主线程的相应操作。
Operation、OperationQueue 线程同步和线程安全
线程同步
-
线程同步:
可理解为线程 A 和 线程 B 一块配合,A 执行到一定程度时要依靠线程 B 的某个结果,于是停下来,示意 B 运行;B 依言执行,再将结果给 A;A 再继续操作。 -
若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作(更改变量),一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能影响线程安全。
线程安全
-
线程安全:
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。 -
线程安全解决方案:
可以给线程加锁,在一个线程执行该操作的时候,不允许其他线程进行操作。iOS 实现线程加锁有很多种方式。@synchronized、 NSLock、RecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/get 等等各种方式。这里我们使用 NSLock 对象来解决线程同步问题。NSLock 对象可以通过进入锁时调用 lock 方法,解锁时调用 unlock 方法来保证线程安全。
考虑线程安全的代码:
class ViewController: UIViewController {
var ticketSurplusCount = 50
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
///1.1 创建代表北京火车票售卖窗口
let operationForBeiJing = OperationQueue()
operationForBeiJing.maxConcurrentOperationCount = 1;
///1.2 创建卖票操作 op1
let op1 = BlockOperation{
self.saleTicketSafe()
}
///1.3 添加操作
operationForBeiJing.addOperation(op1)
///2.1创建代表上海火车票售卖窗口
let operationForShangHai = OperationQueue()
operationForShangHai.maxConcurrentOperationCount = 1;
///2.2创建卖票操作 op2
let op2 = BlockOperation{
self.saleTicketSafe()
}
///2.3 添加操作
operationForShangHai.addOperation(op2)
}
private func saleTicketSafe(){
while true {
objc_sync_enter(self)
if self.ticketSurplusCount > 0 {
self.ticketSurplusCount-=1;
print("剩余票数:\(self.ticketSurplusCount) 窗口:\(Thread.current)")
sleep(2)
}
objc_sync_exit(self)
if self.ticketSurplusCount <= 0 {
print("所有火车票均已售完")
break
}
}
}
}