Swift多线程编程总结-程序员宅基地

在开始多线程之前，我们先来了解几个比较容易混淆的概念。

概念

线程与进程

线程与进程之间的关系，拿公司举例，进程相当于部门，线程相当于部门职员。即进程内可以有一个或多个线程。

并发和并行

并发指的是多个任务交替占用CPU，并行指的是多个CPU同时执行多个任务。好比火车站买票，并发指的是一个窗口有多人排队买票，而并行指的是多个窗口有多人排队买票。

同步和异步

同步指在执行一个函数时，如果这个函数没有执行完毕，那么下一个函数便不能执行。异步指在执行一个函数时，不必等到这个函数执行完毕，便可开始执行下一个函数。

GCD

Swift3之后，GCD的Api有很大的调整，从原来的C语言风格的函数调用，变为面向对象的封装，使用起来更加舒服，灵活性更高。

同步

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog")

queue.sync {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

for i in 10..<15 {
    print(i)
}

output: 
0
1
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从结果可以看出队列同步操作时，当程序在进行队列任务时，主线程的操作并不会被执行，这是由于当程序在执行同步操作时，会阻塞线程，所以需要等待队列任务执行完毕，程序才可以继续执行。

异步

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog")

queue.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

for i in 10..<15 {
    print(i)
}

output:
10
0
11
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4
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从结果可以看出队列异步操作时，当程序在执行队列任务时，不必等待队列任务开始执行，便可执行主线程的操作。与同步执行相比，异步队列并不会阻塞主线程，当主线程空闲时，便可执行别的任务。

QoS 优先级

在实际开发中，我们需要对任务分类，比如UI的显示和交互操作等，属于优先级比较高的，有些不着急操作的，比如缓存操作、用户习惯收集等，相对来说优先级比较低。
在GCD中，我们使用队列和优先级划分任务，以达到更好的用户体验，选择合适的优先级，可以更好的分配CPU的资源。
GCD内采用DispatchQoS结构体，如果没有指定QoS，会使用default。以下等级由高到低。

public struct DispatchQoS : Equatable {

     public static let userInteractive: DispatchQoS //用户交互级别，需要在极快时间内完成的，例如UI的显示
     
     public static let userInitiated: DispatchQoS  //用户发起，需要在很快时间内完成的，例如用户的点击事件、以及用户的手势
     。
     public static let `default`: DispatchQoS  //系统默认的优先级，
     
     public static let utility: DispatchQoS   //实用级别，不需要很快完成的任务
     
     public static let background: DispatchQoS  //用户无法感知，比较耗时的一些操作

     public static let unspecified: DispatchQoS
}

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以下通过两个例子来具体看一下优先级的使用。

相同优先级

let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue1", qos: .utility)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue2", qos: .utility)

queue1.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}

queue2.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}
 output:
 0
 5
 1
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从结果可见，优先级相同时，两个队列是交替执行的。

不同优先级

let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue1", qos: .default)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue2", qos: .utility)

queue1.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

queue2.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}

output:
0
5
1
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从结果可见，交替输出，CPU会把更多的资源优先分配给优先级高的队列，等到CPU空闲之后才会分配资源给优先级低的队列。

主队列默认使用拥有最高优先级，即userInteractive，所以慎用这一优先级，否则极有可能会影响用户体验。
一些不需要用户感知的操作，例如缓存等，使用utility即可

串行队列

在创建队列时，不指定队列类型时，默认为串行队列。

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.initiallyInactive.queue", qos: .utility)

queue.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

queue.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}

queue.async {
    for i in 10..<15 {
        print(i)
    }
}
output: 
0
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从结果可见队列执行结果，是按任务添加的顺序，依次执行。

并行队列

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.concurrent.queue", qos: .utility, attributes: .concurrent)

queue.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

queue.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}

queue.async {
    for i in 10..<15 {
        print(i)
    }
}
output:
5
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从结果可见，所有任务是以并行的状态执行的。另外在设置attributes参数时，参数还有另一个枚举值initiallyInactive，表示的任务不会自动执行，需要程序员去手动触发。如果不设置，默认是添加完任务后，自动执行。


let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.concurrent.queue", qos: .utility,
attributes: .initiallyInactive)
queue.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}
queue.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}
queue.async {
    for i in 10..<15 {
        print(i)
    }
}

//需要调用activate，激活队列。
queue.activate()

output:
0
1
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从结果可见，只是把自动执行变为手动触发，执行结果没变，添加这一属性带来了，更多的灵活性，可以自由的决定执行的时机。
再来看看并行队列如何设置这一枚举值。

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.concurrent.queue", qos: .utility, attributes:
[.concurrent, .initiallyInactive])
queue.async {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}
queue.async {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}
queue.async {
    for i in 10..<15 {
        print(i)
    }
}
queue.activate()

output:
10
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延时执行

GCD提供了任务延时执行的方法，通过对已创建的队列，调用延时任务的函数即可。其中时间以DispatchTimeInterval设置，GCD内跟时间参数有关系的参数都是通过这一枚举来设置。

public enum DispatchTimeInterval : Equatable {

    case seconds(Int)     //秒

    case milliseconds(Int) //毫秒

    case microseconds(Int) //微妙

    case nanoseconds(Int)  //纳秒

    case never
}
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在设置调用函数时，asyncAfter有两个及其相同的方法，不同的地方在于参数名有所不同，参照Stack Overflow的解释。

wallDeadline 和 deadline，当系统睡眠后,wallDeadline会继续，但是deadline会被挂起。例如：设置参数为60分钟，当系统睡眠50分钟，wallDeadline会在系统醒来之后10分钟执行，而deadline会在系统醒来之后60分钟执行。

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.after.queue")

let time = DispatchTimeInterval.seconds(5)

queue.asyncAfter(wallDeadline: .now() + time) {
    print("wall dead line done")
}

queue.asyncAfter(deadline: .now() + time) {
    print("dead line done")
}
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DispatchGroup

如果想等到所有的队列的任务执行完毕再进行某些操作时，可以使用DispatchGroup来完成。

let group = DispatchGroup()
let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue1", qos: .utility)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue2", qos: .utility)
queue1.async(group: group) {
    for i in 0..<10 {
        print(i)
    }
}
queue2.async(group: group) {
    for i in 10..<20 {
        print(i)
    }
}

//group内所有线程的任务执行完毕
group.notify(queue: DispatchQueue.main) {
    print("done")
}

output: 
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done
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如果想等待某一队列先执行完毕再执行其他队列可以使用wait

let group = DispatchGroup()
let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue1", qos: .utility)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue2", qos: .utility)
queue1.async(group: group) {
    for i in 0..<10 {
        print(i)
    }
}
queue2.async(group: group) {
    for i in 10..<20 {
        print(i)
    }
}
group.wait()
//group内所有线程的任务执行完毕
group.notify(queue: DispatchQueue.main) {
    print("done")
}
output:
0
1
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done
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为防止队列执行任务时出现阻塞，导致线程锁死，可以设置超时时间。

group.wait(timeout: <#T##DispatchTime#>)
group.wait(wallTimeout: <#T##DispatchWallTime#>)
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DispatchWorkItem

Swift3新增的api，可以通过此api设置队列执行的任务。先看看简单应用吧。通过DispatchWorkItem初始化闭包。

let workItem = DispatchWorkItem {
    for i in 0..<10 {
        print(i)
    }
}
复制代码

调用一共分两种情况，第一种是通过调用perform()，自动响应闭包。

 DispatchQueue.global().async {
     workItem.perform()
 }
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第二种是作为参数传给async方法。

 DispatchQueue.global().async(execute: workItem)
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接下来我们来看看DispatchWorkItem的内部都有些什么方法和属性。

init(qos: DispatchQoS = default, flags: DispatchWorkItemFlags = default,
    block: @escaping () -> Void)
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从初始化方法开始，DispatchWorkItem也可以设置优先级，另外还有个参数DispatchWorkItemFlags，来看看DispatchWorkItemFlags的内部组成。

public struct DispatchWorkItemFlags : OptionSet, RawRepresentable {

    public static let barrier: DispatchWorkItemFlags 

    public static let detached: DispatchWorkItemFlags

    public static let assignCurrentContext: DispatchWorkItemFlags

    public static let noQoS: DispatchWorkItemFlags

    public static let inheritQoS: DispatchWorkItemFlags

    public static let enforceQoS: DispatchWorkItemFlags
}
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DispatchWorkItemFlags主要分为两部分：

覆盖
- noQoS 没有优先级
- inheritQoS 继承Queue的优先级
- enforceQoS 覆盖Queue的优先级
执行情况
- barrier
- detached
- assignCurrentContext

执行情况会在下文会具体描述，先在这留个坑。
先来看看设置优先级，会对任务执行有什么影响。

let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.workItem1", qos: .utility)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.workItem2", qos: .userInitiated)
let workItem1 = DispatchWorkItem(qos: .userInitiated) {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}
let workItem2 = DispatchWorkItem(qos: .utility) {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}
queue1.async(execute: workItem1)
queue2.async(execute: workItem2)

output:
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0
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由结果可见即使设置了DispatchWorkItem仅仅只设置了优先级并不会对任务执行顺序有任何影响。
接下来，再来设置DispatchWorkItemFlags试试

let queue1 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.workItem1", qos: .utility)
let queue2 = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.workItem2", qos: .userInitiated)

let workItem1 = DispatchWorkItem(qos: .userInitiated, flags: .enforceQoS) {
    for i in 0..<5 {
        print(i)
    }
}

let workItem2 = DispatchWorkItem {
    for i in 5..<10 {
        print(i)
    }
}

queue1.async(execute: workItem1)
queue2.async(execute: workItem2)
output:
5
0
6
1
7
2
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9
4
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设置enforceQoS，使优先级强制覆盖queue的优先级，所以两个队列呈交替执行状态，变为同一优先级。

DispatchWorkItem也有wait和notify方法，和DispatchGroup用法相同。

DispatchSemaphore

如果你想同步执行一个异步队列任务，可以使用信号量。
wait()会使信号量减一，如果信号量大于1则会返回.success，否则返回timeout（超时），也可以设置超时时间。

func wait(wallTimeout: DispatchWallTime) -> DispatchTimeoutResult
func wait(timeout: DispatchTime) -> DispatchTimeoutResult
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signal()会使信号量加一，返回当前信号量。

func signal() -> Int
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下面通过实例来看看具体的使用。
先看看不使用信号量时，在文件异步写入会发生什么。

//初始化信号量为1
let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1)

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue", qos: .utility, attributes: .concurrent)
let fileManager = FileManager.default
let path = NSHomeDirectory() + "/test.txt"
print(path)
fileManager.createFile(atPath: path, contents: nil, attributes: nil)

//循环写入，预期结果为test4
for i in 0..<5 {
        queue.async {
            do {
                try "test\(i)".write(toFile: path, atomically: true, encoding: String.Encoding.utf8)
            }catch {
                print(error)
            }
            semaphore.signal()
        }
    }
}
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发现写入的结果根本不是我们想要的。此时再使用信号量试试。

let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1)
let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue", qos: .utility, attributes: .concurrent)
let fileManager = FileManager.default
let path = NSHomeDirectory() + "/test.txt"
print(path)
fileManager.createFile(atPath: path, contents: nil, attributes: nil)
for i in 0..<5 {
    //.distantFuture代表永远
    if semaphore.wait(wallTimeout: .distantFuture) == .success {
        queue.async {
            do {
                print(i)
                try "test\(i)".write(toFile: path, atomically: true, encoding: String.Encoding.utf8)
            }catch {
                print(error)
            }
            semaphore.signal()
        }
    }
}
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写入的结果符合预期效果，
我们来看下 for循环里都发生了什么。第一遍循环遇到 wait时，此时信号量为1，大于0，所以 if判断为 true，进行写入操作；当第二遍循环遇到 wait时，发现信号量为0，此时就会锁死线程，直到上一遍循环的写入操作完成，调用 signal()方法，信号量加一，才会执行写入操作，循环以上操作。好奇的同学，可以加上 sleep(1)，然后打开文件夹，会发现 test.txt文件从 test1不断加1变为 test4。(ps：写入文件的方式略显粗糙，不过这不是本文讨论的重点，仅用以测试 DispatchSemaphore)

DispatchSemaphore还有另外一个用法，可以限制队列的最大并发量，通过前面所说的wait()信号量减一，signal()信号量加一，来完成此操作，正如上文所述例子，其实达到的效果就是最大并发量为一。
如果使用过NSOperationQueue的同学，应该知道maxConcurrentOperationCount，效果是类似的。

DispatchWorkItemFlags

前面留了个DispatchWorkItemFlags的坑，现在来具体看看。

barrier

可以理解为隔离，还是以文件读写为例，在读取文件时，可以异步访问，但是如果突然出现了异步写入操作，我们想要达到的效果是在进行写入操作的时候，使读取操作暂停，直到写入操作结束，再继续进行读取操作，以保证读取操作获取的是文件的最新内容。
以上文中的test.txt文件为例，预期结果是：在写入操作之前，读取到的内容是test4；在写入操作之后，读取到的内容是done（即写入的内容）。
先看看不使用barrier的结果。

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue", qos: .utility, attributes: .concurrent)

let path = NSHomeDirectory() + "/test.txt"
print(path)

let readWorkItem = DispatchWorkItem {
    do {
        let str = try String(contentsOfFile: path, encoding: .utf8)
        print(str)
    }catch {
        print(error)
    }
    sleep(1)
}

let writeWorkItem = DispatchWorkItem(flags: []) {
    do {
        try "done".write(toFile: path, atomically: true, encoding: String.Encoding.utf8)
        print("write")
    }catch {
        print(error)
    }
    sleep(1)
}
for _ in 0..<3 {
    queue.async(execute: readWorkItem)
}
queue.async(execute: writeWorkItem)
for _ in 0..<3 {
    queue.async(execute: readWorkItem)
}

output:
test4
test4
test4
test4
test4
test4
write
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结果不是我们想要的。再来看看加了barrier之后的效果。

let queue = DispatchQueue(label: "com.ffib.blog.queue", qos: .utility, attributes: .concurrent)

let path = NSHomeDirectory() + "/test.txt"
print(path)

let readWorkItem = DispatchWorkItem {
    do {
        let str = try String(contentsOfFile: path, encoding: .utf8)
        print(str)
    }catch {
        print(error)
    }
}

let writeWorkItem = DispatchWorkItem(flags: .barrier) {
    do {
        try "done".write(toFile: path, atomically: true, encoding: String.Encoding.utf8)
        print("write")
    }catch {
        print(error)
    }
}

for _ in 0..<3 {
    queue.async(execute: readWorkItem)
}
queue.async(execute: writeWorkItem)
for _ in 0..<3 {
    queue.async(execute: readWorkItem)
}

output:
test4
test4
test4
write
done
done
done
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结果符合预期的想法，barrier主要用于读写隔离，以保证写入的时候，不被读取。