Why GCD?

这是关于GCD介绍系列的第一篇文章。


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一句话概括:更好的并行。

在过去的10年中,CPU的速度提升遇到了瓶颈,为了获得更强的性能,CPU的制造商在他们的产品中加入越来越多的核心(我的MacBook Pro是8核的并且它一天二十四小时都在运行)

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CPU运算速度

问题是,我们的程序并不能从这些额外的核心中获得益处,除非它知道如何高效的分发任务给这些核心。

用并行的思想来处理这个问题就是同时处理多个任务。这实现起来并不简单,不过GCD让这件事变得简单可控。

你不必写一大堆实现并行的代码,直接使用GCD实现它,让你的UI和网络请求不再需要等待任务完成之后才去执行,从而使你的程序变得响应更快。

不过在那之前,让我们先看一看在使用GCD应该先做哪些功课。

线程

传统的实现并行的方式就是使用线程。在一个多核的计算机中,每一个新的线程可以被分配给不同的核心去执行。多个核心同时运行不同的线程,这就实现了并行。

单核的情况下,这个核心会定期的抢占一个正在运行的线程的资源,从而让其他线程得以运行。这就给人一种错觉好像是并行执行的。

但是使用线程来实现并行也就意味着你将面临一些问题。把数据传入一个线程和从中取出通常不太简单,把控制和信号从一个线程传到另一个线程也并不容易。对于那些在一个高度并行的系统中要被执行的若干任务,要想算出究竟应该创建多少个线程也是个问题。

由于创建和销毁线程是一个开销相对较大的任务,所以很多多线程的程序会创建一个线程池。这个线程池也将有你来管理,这将加大你程序的复杂度。

同步

当你有许多线程需要运行,你肯定会遇到一个典型的问题——竞态条件(race conditions),即最终的计算结果是不确定的,取决于这些线程的执行顺序。

一个典型的竞态条件例子就是“银行账户问题”:

账户最后的余额取决于这些语句在这2个线程中的执行顺序(记住,这些线程是同时执行的)。

假设这些线程只能被上面这些语句所占用,那么这一段代码有可能出现多少种结果?这些值又是多少?

竞态条件在单核的设备上也有可能出现

这类问题的传统解决办法就是采用同步对象。典型的同步对象包括以下几个:

  • 信号量(Semaphore) – 只运行一定的资源被使用,线程必须等待直到有可用的资源。
  • 互斥锁(Mutual Exclusion) – 同一时间只允许一个线程被执行,当一个线程有互斥锁时,别的线程必须等待。
  • 条件变量(Condition Variable) – 线程必须等待某些条件变成true才能执行

队列,队列,队列

GCD解决了线程管理和同步的问题,并且从头开始采用了一个新的抽象化概念:队列。

简单来说,队列是一种确保串行执行其中任务的数据结构。一个程序可以创建多个队列,同时这些队列能够相对彼此并行地执行任务,而每个队列中的任务将会被顺序执行。

队列相对于多线程有着明显的优势。首先,线程将由CGD库来管理,队列会被按需分配给线程,线程没有被使用时将可能会被释放。其次,GCD库可以向系统咨询,什么时候创建多少线程是最合适的。最后,因为队列只有在它需要时才会去创建线程,所以队列的开销很小。一个程序可以有几十个队列也不会使得其资源紧张。

总之:队列给你提供了线程的优点,却不需要你去考虑线程的管理。

在CGD中有三种类型的队列:

  • 串行队列(Serial) – 按照任务加入队列的顺序,同一时间只执行一个任务。一个任务开始执行之前,其前面一个任务必须执行完成。
  • 并发队列(Concurrent) – 也是按照任务加入队列的顺序执行任务,但是每一个任务是并发的执行,后面任务执行也不需要等待前一个任务的结束才开始。
  • 主队列(Mian) – 一个在主线程中预先创建好的串行队列,这个队列可以和NSRunLoop进行交互,你的程序通常是在这个队列中开始执行。

Blocks

一般以向队列中加入block的方式来使用队列。

你也可以把函数调用加入队列中,但是这一系列的文章将会聚焦在GCD的block相关的API上。

Block是一个能捕捉其上下文的代码块,这里有一个例子:

在上面的例子中,printer()返回一个带有string参数的block,每一次这个block被调用,block里的代码就会拿着这个block创建时赋值给这个参数的值去执行。

Hello, Dispatch World!

现在我们准备好了一切,去使用GCD写出我们的第一个”Hello World”程序。如下:

让我们看看这一段代码是怎么工作的:

dispatch_async()的调用告诉GCD去入队一个block,然后继续往下执行而并不需要等待block里的代码执行完。我们调用了两次dispatch_async(),也就是说将两个block加入了主队列中。

注意这时候程序自己就在主队列中运行着(主队列在程序运行之前就存在了,main()通常就在主队列中被执行),所以没有任何东西被打印出来。入队的这两个block会在main()之后被调用。

为了执行主队列中的其它block,我们调用了dispatch_main(),这会暂停main()中的初始化工作,然后执行加入主队列中的其它blcok。首先,打印“Hello”的block被执行,这个block执行完后,下一个block将会被执行,它打印出了“World“。

如果你的程序使用了基础类库(Foundation classes),你最好用[[NSRunLoop currentRunLoop] run]代替dispatch_main(),因为后者不支持 run loop sources ,比如NSTimer

当主队列执行完毕,dispatch_main()只是被闲置,程序并不会终止!如果你想让你的程序运行完之后就终止,你必须把exit(0)的操作加入队列中,试试吧!

恭喜!你已经写下了你的第一个GCD程序,在下一篇中,我们将讨论一下如何以同步的方式使用队列。

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