iOS開發(fā)中多線程技術的研究和實踐

摘 要：iOS平臺為適應多核心處理器的發(fā)展，對多線程技術提供了很好的支持。在iOS應用開發(fā)中靈活運用多線程技術可以提高iPhone處理器的利用率，最終提高手機運行效率，給用戶更好的體驗。通過介紹多線程技術的相關知識，闡述了多線程開發(fā)的優(yōu)缺點，列舉了iOS支持的多種多線程技術。最后，結合實例重點闡述了GCD多線程技術在iOS開發(fā)中的應用，對理解和掌握iOS多線程開發(fā)有一定的幫助。

關鍵詞：多線程；iOS；開發(fā)；GCD

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A

文章編號：2096-1472（2018）-11-38-04

1 引言（Introduction）

隨著用戶對計算機計算能力需求的不斷追求，為了適應用戶的更高要求，多核心處理器已被廣泛使用在各類電子設備上，手機也不例外。多核心處理器使手機擁有同時執(zhí)行多個任務的能力。但并非硬件上擁有高速多核心處理器，手機就能發(fā)揮高性能，還必須有軟件相應支持，多處理器的性能瓶頸在軟件上[1]。

多核環(huán)境下軟件開發(fā)的核心是多線程開發(fā)。多線程技術不僅要求軟件實現多線程，在硬件上也必須采用多線程技術。只有與多核CPU相適應的軟件，才能真正發(fā)揮多核的性能。iOS平臺對多線程技術提供了很好的支持，大多基于ios平臺開發(fā)的app都使用了多線程技術，下面將對ios開發(fā)中多線程技術的應用進行介紹。

2 多線程介紹（Introduction to multi-thread）

2.1 線程和多線程

要了解什么是線程，首先要知道進程的概念。手機上每一個應用在運行前都會進駐內存，進入內存并且運行中的應用程序就可稱為一個進程。一個進程可以包含一個或多個線程?？梢哉J為線程是進程在調度過程中能獨立執(zhí)行某項任務的最小單位。

多線程是能使多個線程并發(fā)執(zhí)行的技術。應用程序在手機上運行時，經常會同時處理多項任務。在手機應用開發(fā)中，為了實現多個任務并發(fā)執(zhí)行，就會采用多線程技術。一個線程同一時間只能處理一個任務，為了能同時執(zhí)行多項任務，程序員編程過程中就會開辟多個線程，以此來提高資源的利用率，這就是多線程編程。對于多核處理器，可以調用多個處理器核心同時運行多個線程，從而達到同步完成多項任務。

2.2 多線程的優(yōu)缺點

多線程開發(fā)技術是從單線程和多進程技術發(fā)展而來，相對于單線程和多進程而言，多線程開發(fā)有其優(yōu)勢，主要表現在以下幾點。首先，單線程的任務只能一個個按順序執(zhí)行，因此，如果某個任務運行時間太長，就會影響到手機處理器的使用效率。而多線程技術可以實現多個任務同時處理，在多核處理器時代，處理器多個核心同時運行多個線程，處理多個任務，能大大提高資源的利用率。其次，相對于進程而言，線程可以利用其所在進程的資源，系統(tǒng)不需要單獨為線程分配系統(tǒng)資源，對線程的調度所付出的開銷比進程要小得多。同時能充分發(fā)揮多核心處理器的優(yōu)勢，真正實現多任務并發(fā)。而且，當硬件處理器數量增加時，不需要做任何更改，程序運行速度會相應變快。

多線程技術運用得當能給應用開發(fā)帶來極大的好處，但其也存在一些缺點。開啟的線程過多，處理器調度線程所耗資源就越大，程序設計也會更復雜。同時，開啟線程會占用一定的內存空間，如果開啟的線程數量過多，必將占用較大的內存空間，影響程序的性能。

3 iOS應用開發(fā)中的多線程技術（Multi-thread technology in iOS application development）

3.1 iOS中的多線程運行機制

iOS平臺對多線程技術提供了很好的支持，在iOS應用開發(fā)中靈活運用多線程技術可以對手機應用進行很好的優(yōu)化。對于手機而言，大多數app都是c/s模式，都會涉及UI和業(yè)務邏輯的并行運行問題。通常，進程在創(chuàng)建時都會同時運行一個線程，這個線程被稱為主線程。iOS進程如果開啟了多個線程，系統(tǒng)會以時間片輪轉的方式，讓各個線程輪流使用處理器資源，因為時間片的時間非常短，用戶感覺象是同時在進行。最新的蘋果X采用的六核心處理器，如果同時運行多個線程，iOS可以將多個線程運行在多個核心上，實現真正的并發(fā)執(zhí)行，提高處理器的效率，最終達到提高應用效率的目的。

iOS開發(fā)中，處理與UI相關的操作都會運行在主線程中，如顯示或刷新界面，處理UI事件（點擊、滾動、拖拽等）[2]。對于耗時的操作都會放在子線程，比如從網上獲取數據，因為網速、數據大小或者網絡連接狀態(tài)等因素都會影響到所需時間，這種操作放在主線程必然會造成主線程阻塞，影響應用運行的流暢度，給用戶不好的體驗。耗時操作放在子線程，則可以提高應用運行效率。

3.2 iOS平臺主要的線程技術介紹[3]

iOS支持四種多線程技術Pthread、GCD、NSThread、NSOperation，各技術的特點如圖1所示。

其中前面兩種以C語言為基礎，通過C語言來操作，對于不熟悉C語言編程的開發(fā)者而言，使用起來較困難。Pthread技術因為使用難度大，目前基本已經過時不用[3]。而后兩種則基于objective-c，通過objective-c類的方式來執(zhí)行多線程操作。這兩種方式以objective-c類的方式對線程進行管理和操作，操作面向對象，因此簡單易用。但NSThead技術需要開發(fā)者自行管理線程生命周期及線程同步。當多個線程同時訪問同一份資源時會造成數據錯亂，必須使用同步鎖來解決這個問題，會增加CPU資源的損耗。NSOperation技術基于GCD，并且多了一些簡單易用的功能，但是因為它是對GCD的第二次封裝，性能上比GCD略低[4]。NSOperation是基于objective-c語言的多線程技術，并且是在GCD基礎上發(fā)展而來，只要有了objective-c語言基礎，掌握了GCD技術的原理，就很容易上手NSOpertion技術。因此，下面將主要介紹GCD技術及其在開發(fā)中的應用。

4 GCD多線程開發(fā)技術（GCD multi-thread development technology）

GCD是為多核的并行運算而設計的純C語言開發(fā)的一種技術，提供了很多的功能強大的函數，利用這些可以創(chuàng)建線程、調度任務、銷毀線程，開發(fā)者只需告訴GCD要執(zhí)行的任務，不需要編寫線程管理代碼。在進行多線程開發(fā)時可以傳Block也可以傳c函數指針[5]。在進行多核編程時方便高效，它可以自動利用更多的處理器核心進行工作。

4.1 隊列和任務

要了解GCD的工作原理，首先要知道GCD的兩個核心概念—隊列和任務。實現多線程要做的兩件事就是創(chuàng)建隊列和提交任務。

隊列（Dispatch Queue）是用來存放任務的集合并負責管理任務。隊列的機制就是將任務拆分成多個工作單元，將其加入到隊列中，系統(tǒng)會負責管理隊列，并將隊列放到多個線程上執(zhí)行，開發(fā)者無需管理線程。

開發(fā)者可以使用系統(tǒng)提供的函數來創(chuàng)建隊列，隊列通過一個線程池來處理隊列管理的任務。GCD的隊列是嚴格遵守先進先出（FIFO）的原則，添加到隊列的工作單元就是按照添加的循序啟動。

根據任務執(zhí)行方式的不同，隊列可以分為串行隊列和并行隊列。串行隊列的線程池中只有一個線程，隊列中的任務按順序一個個執(zhí)行，每次只能執(zhí)行一個任務。并發(fā)隊列的線程池中有多個線程，因此并發(fā)隊列的任務可以按先進新出的順序并發(fā)啟動，同時執(zhí)行多個任務。

任務就是要執(zhí)行的操作或實現的功能，任務通常通過同步函數和異步函數兩種方式來執(zhí)行。他們之間的區(qū)別在于只在當前線程中執(zhí)行任務，不會開啟新線程。而且，任務執(zhí)行過程中，會阻塞當前線程。只有當前線程代碼塊任務執(zhí)行結束，線程才會繼續(xù)執(zhí)行。而異步是在開辟新線程來執(zhí)行任務，因此對當前線程不會有影響。

4.2 隊列的創(chuàng)建

iOS創(chuàng)建隊列大致可以分成三種類型：獲取全局并發(fā)隊列、創(chuàng)建串行和并行隊列、獲取主隊列[6]。開發(fā)者可以通過GCD提供的函數來創(chuàng)建和訪問隊列。下面將分別介紹這三種情況。

獲取全局并發(fā)隊列可以通過函數dispatch_get_global_queue（long identifier， unsigned long flags）來實現，該函數會返回一個dispatch_queue_t類型的對象，開發(fā)者只需通過該函數就可以獲取系統(tǒng)給應用提供的多個并發(fā)的隊列，這些隊列在當前應用內全局共享。函數的第一個參數用于指定隊列的優(yōu)先級，查看官方文檔可以得知優(yōu)先級參數值。第二個參數是供以后使用的，通常傳入0即可

創(chuàng)建串行和并行隊列用函數dispatch_queue_create（const char*_Nullable label，dispatch_queue_attr_t_Nullable attr）來實現，同樣，該函數也會返回一個dispatch_queue_t類型的對象。如果應用程序的任務需要按特定順序執(zhí)行，則創(chuàng)建串行隊列。如果需要并發(fā)執(zhí)行多個任務，可以通過獲取全局并發(fā)隊列。

創(chuàng)建串行或并發(fā)隊列的函數中包含兩個參數，第一個參數可以為隊列設置一個字符串，也可以為NULL。第二個參數用來指定當前函數是創(chuàng)建串行隊列還是并行隊列，默認值為NULL，表示串行。

主隊列是GCD中一個特殊的串行隊列，開發(fā)者可以通過函數dispatch_get_main_queue（void）來獲取主隊列。應用中只要是提交給主隊列的任務都會放在主線程中執(zhí)行。

4.3 提交任務

創(chuàng)建完隊列以后，需要將任務提交給隊列。提交任務的方式分同步和異步兩種。

開發(fā)者可以兩個函數dispatch_sync（dispatch_queue_t queue，DISPATCH_NOESCAPE dispatch_block_t block）和dispatch_sync_f（dispatch_queue_t queue，void*_Nullable context，dispatch_function_t work）來實現同步執(zhí)行任務。這兩個函數的區(qū)別在于前者是將要執(zhí)行的任務以代碼塊的形式提交給指定的隊列，后者是將要執(zhí)行的任務以函數的方式提交給指定的隊列。

在開發(fā)過程中，可以任意選擇上述兩個函數來實現任務同步。同步過程由GCD來處理，開發(fā)者只需將要執(zhí)行的任務寫入代碼塊或者要調用的函數中。與同步方式一樣，異步執(zhí)行任務也對應由兩個函數來實現。分別是：dispatch_async（dispatch_queue_t queue，dispatch_block_t block），dispatch_async_f（dispatch_queue_t queue，void*_Nullable context，dispatch_function_t work）。兩個函數的參數涵義和同步函數完全一致。前者是將代碼塊以異步的方式提交給指定的隊列，后者是將函數以異步的方式提交給指定的隊列。

4.4 隊列和任務的組合

在開發(fā)過程中，可以根據實際情況，將不同的隊列和不同的任務提交方式進行組合，包括串行同步、串行異步、并行同步、并行異步。采用同步還是異步決定是否需要開啟新的線程，而任務的執(zhí)行方式則取決于采用串行還是并行。不同的組合方式將會產生不同的執(zhí)行結果。

需要注意的是使用同步函數在當前串行隊列中添加任務，會導致當前線程阻塞。而應用程序的主線程必須采取異步執(zhí)行方式，這樣才可以及時相應用戶事件。

5 GCD多線程開發(fā)實踐（GCD multi-thread development practice）

ios編程的工作原理示意圖如圖2所示，從圖可以看出，手機端應用需要通過網絡向服務器發(fā)送請求獲取所需數據，這些數據可能包括圖像、視頻、文字等。獲取到數據后再在UI上顯示出來。這個請求過程所耗時間取決于網絡服務和數據大小，在多線程編程中，網絡數據請求通常會作為耗時操作而開啟子線程。而UI顯示操作，iOS要求必須在主線程[7]。

如果同一個界面需要通過網絡請求從服務器獲取多組數據，則可以通過GCD隊列組來實現。首先使用異步執(zhí)行多個數據請求操作，并在異步操作都執(zhí)行完畢后，回到主線程執(zhí)行操作?？梢詫⒍鄠€block組成一個對列組，用于監(jiān)聽所有數據請求是否完畢，如果所有數據請求已完成則轉到主線程執(zhí)行UI操作（圖3）。代碼如下。

-（void）dispatch_group_requestData

{ //調度組

dispatch_group_t group=dispatch_group_create（）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請求數據1代碼 }）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請求數據2代碼}）；

dispatch_group_async（group，dispatch_get_global_queue（0，0），^{

// 異步請求數據3代碼}）；

dispatch_group_notify（group，dispatch_get_main_queue（），^{

// 數據請求完成，設置UI }）；}

6 結論（Conclusion）

隨著手機性能不斷增強，在ios應用開發(fā)過程中，必須注重對軟件性能的優(yōu)化，以便充分利用硬件資源，做到App運行整體性能的提升，給用戶更好的體驗。多線程開發(fā)技術提高了CPU的利用效率，但是線程的切換增加了系統(tǒng)開銷，同時也面臨著線程不安全、線程死鎖的缺點[8]。因此，在ios開發(fā)中可以根據實際情況選擇合適的多線程技術，但能單線程能處理的問題盡量不要使用多線程。

參考文獻（References）

[1] 眭俊華，劉慧娜，王建鑫，等.多核多線程技術綜述[J].計算機應用，2013（33）（S1）：239-242；261.

[2] 孔翔鳴.Swift多線程編程[J].電腦知識與技術，2017（02）：24-25.

[3] 傳智播客高教產品研發(fā)部.ios開發(fā)項目化經典教程[M].北京：人民郵電出版社出版社，2016：1-5.

[4] 陳偉，卜慶凱.iOS系統(tǒng)中多線程技術的研究[J].電腦知識與技術，2017（8）：78-80.

[5] 潘小龍.IOS系統(tǒng)中不同多線程技術的研究和比較[J].中國新通信，2014，16（24）：21-22.

[6] 李嵐.iOS并發(fā)程序設計中幾種方法的特點及使用技巧研究[J].電腦知識與技術，2016（9）：83-84.

[7] 孫翠改.Android環(huán)境下主UI線程與子線程通信機制研究[J].數字技術與應用，2016（9）：66-67.

[8] 崔政，段利國.基于Java synchronized同步鎖實現線程交互[J].軟件工程，2018（2）：1-3.

作者簡介：

黃瀏展（1975-），男，碩士，副教授.研究領域：移動應用開發(fā).