[Cocoa]深入淺出Cocoa多線程編程之block與dispatch quene
羅朝輝 (http://www.rzrgm.cn/kesalin/)
block 是 Apple 在 GCC 4.2 中擴充的新語法特性，其目的是支持多核并行編程。我們可以將 dispatch_queue 與 block 結合起來使用，方便進行多線程編程。
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1，實驗工程準備
在 XCode 4.0 中，我們建立一個 Mac OS X Application 類型的 Command Line Tool，在 Type 里面我們選擇 Foundation 就好，工程名字暫且為 StudyBlocks.默認生成的工程代碼 main.m 內容如下：
int main (int argc, const char * argv[])
{
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];// insert code here...
NSLog(@"Hello, World!");[pool drain];
return 0;
}
2，如何編寫 block
在自動生成的工程代碼中，默認打印一條語句"Hello, World!"，這個任務可以不可以用 block 語法來實現呢？答案是肯定的，請看：
void (^aBlock)(void) = ^(void){ NSLog(@"Hello, World!"); };
aBlock();
用上面的這兩行語句替換 main.m 中的 NSLog(@"Hello, World!"); 語句，編譯運行，結果是一樣的。
這兩行語句是什么意思呢？首先，等號左邊的 void (^aBlock)(void) 表示聲明了一個 block，這個 block 不帶參數(void)且也無返回參數(void)；等號右邊的 ^(void){ } 結構表示一個 block 的實現體，至于這個 block 具體要做的事情就都在 {} 之間了。在這里我們僅僅是打印一條語句。整個語句就是聲明一個 block，并對其賦值。第二個語句就是調用這個 block 做實際的事情，就像我們調用函數一樣。block 很有點像 C++0X 中的 Lambda 表達式。
我們也可以這么寫：
void (^aBlock)(void) = 0;
aBlock = ^(void){
NSLog(@" >> Hello, World!");
};
aBlock();
現在我們知道了一個 block 該如何編寫了，那么 block 數組呢？也很簡單，請看：
void (^blocks[2])(void) = {
^(void){ NSLog(@" >> This is block 1!"); },
^(void){ NSLog(@" >> This is block 2!"); }
};
blocks[0]();
blocks[1]();
謹記！
block 是分配在 stack 上的，這意味著我們必須小心里處理 block 的生命周期。
比如如下的做法是不對的，因為 stack 分配的 block 在 if 或 else 內是有效的，但是到大括號 } 退出時就可能無效了：
dispatch_block_t block;
if (x) {
block = ^{ printf("true\n"); };
} else {
block = ^{ printf("false\n"); };
}
block();
上面的代碼就相當于下面這樣的 unsafe 代碼：
if (x) {
struct Block __tmp_1 = ...; // setup details
block = &__tmp_1;
} else {
struct Block __tmp_2 = ...; // setup details
block = &__tmp_2;
}
3，如何在 block 中修改外部變量
考慮到 block 的目的是為了支持并行編程，對于普通的 local 變量，我們就不能在 block 里面隨意修改（原因很簡單，block 可以被多個線程并行運行，會有問題的），而且如果你在 block 中修改普通的 local 變量，編譯器也會報錯。那么該如何修改外部變量呢？有兩種辦法，第一種是可以修改 static 全局變量；第二種是可以修改用新關鍵字 __block 修飾的變量。請看：
__block int blockLocal = 100;
static int staticLocal = 100;
void (^aBlock)(void) = ^(void){
NSLog(@" >> Sum: %d\n", global + staticLocal);
global++;
blockLocal++;
staticLocal++;
};
aBlock();NSLog(@"After modified, global: %d, block local: %d, static local: %d\n", global, blockLocal, staticLocal);
相似的情況，我們也可以引用 static block 或 __block block。比如我們可以用他們來實現 block 遞歸：
// 1
void (^aBlock)(int) = 0;
static void (^ const staticBlock)(int) = ^(int i) {
if (i > 0) {
NSLog(@" >> static %d", i);
staticBlock(i - 1);
}
};
aBlock = staticBlock;
aBlock(5);
// 2
__block void (^blockBlock)(int);
blockBlock = ^(int i) {
if (i > 0) {
NSLog(@" >> block %d", i);
blockBlock(i - 1);
}
};
blockBlock(5);
4，上面我們介紹了 block 及其基本用法，但還沒有涉及并行編程。
block 與 Dispatch Queue 分發隊列結合起來使用，是 iOS 中并行編程的利器。請看代碼：
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
initData();
// create dispatch queue
//
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("StudyBlocks", NULL);
dispatch_async(queue, ^(void) {
int sum = 0;
for(int i = 0; i < Length; i++)
sum += data[i];
NSLog(@" >> Sum: %d", sum);
flag = YES;
});
// wait util work is done.
//
while (!flag);
dispatch_release(queue);
[pool drain];
上面的 block 僅僅是將數組求和。首先，我們創建一個串行分發隊列，然后將一個 block 任務加入到其中并行運行，這樣 block 就會在新的線程中運行，直到結束返回主線程。在這里要注意 flag 的使用。flag 是 static 的，所以我們可以 block 中修改它。 語句 while (!flag); 的目的是保證主線程不會 blcok 所在線程之前結束。
dispatch_queue_t 的定義如下：
typedef void (^dispatch_block_t)( void);
這意味著加入 dispatch_queue 中的 block 必須是無參數也無返回值的。
dispatch_queue_create 的定義如下：
dispatch_queue_t dispatch_queue_create(const char *label, dispatch_queue_attr_t attr);
這個函數帶有兩個參數：一個用于標識 dispatch_queue 的字符串；一個是保留的 dispatch_queue 屬性，將其設置為 NULL 即可。
我們也可以使用
dispatch_queue_t dispatch_get_global_queue(long priority, unsigned long flags);
來獲得全局的 dispatch_queue，參數 priority 表示優先級，值得注意的是：我們不能修改該函數返回的 dispatch_queue。
dispatch_async 函數的定義如下：
void dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
它是將一個 block 加入一個 dispatch_queue，這個 block 會再其后得到調度時，并行運行。
相應的 dispatch_sync 函數就是同步執行了，一般很少用到。比如上面的代碼如果我們修改為 dispatch_sync，那么就無需編寫 flag 同步代碼了。
5，dispatch_queue 的運作機制及線程間同步
我們可以將許多 blocks 用 dispatch_async 函數提交到到 dispatch_queue 串行運行。這些 blocks 是按照 FIFO(先入先出)規則調度的，也就是說，先加入的先執行，后加入的一定后執行，但在某一個時刻，可能有多個 block 同時在執行。
在上面的例子中，我們的主線程一直在輪詢 flag 以便知曉 block 線程是否執行完畢，這樣做的效率是很低的，嚴重浪費 CPU 資源。我們可以使用一些通信機制來解決這個問題，如：semaphore（信號量）。 semaphore 的原理很簡單，就是生產-消費模式，必須生產一些資源才能消費，沒有資源的時候，那我就啥也不干，直到資源就緒。下面來看代碼：
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
initData();
// Create a semaphore with 0 resource
//
__block dispatch_semaphore_t sem = dispatch_semaphore_create(0);
// create dispatch semaphore
//
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("StudyBlocks", NULL);
dispatch_async(queue, ^(void) {
int sum = 0;
for(int i = 0; i < Length; i++)
sum += data[i];
NSLog(@" >> Sum: %d", sum);
// signal the semaphore: add 1 resource
//
dispatch_semaphore_signal(sem);
});
// wait for the semaphore: wait until resource is ready.
//
dispatch_semaphore_wait(sem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
dispatch_release(sem);
dispatch_release(queue);
[pool drain];
首先我們創建一個 __block semaphore，并將其資源初始值設置為 0 (不能少于 0)，在這里表示任務還沒有完成，沒有資源可用主線程不要做事情。然后在 block 任務完成之后，使用 dispatch_semaphore_signal 增加 semaphore 計數（可理解為資源數），表明任務完成，有資源可用主線程可以做事情了。而主線程中的 dispatch_semaphore_wait 就是減少 semaphore 的計數，如果資源數少于 0，則表明資源還可不得，我得按照FIFO（先等先得）的規則等待資源就緒，一旦資源就緒并且得到調度了，我再執行。
6 示例：
下面我們來看一個按照 FIFO 順序執行并用 semaphore 同步的例子：先將數組求和再依次減去數組。
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
initData();
__block int sum = 0;// Create a semaphore with 0 resource
//
__block dispatch_semaphore_t sem = dispatch_semaphore_create(0);
__block dispatch_semaphore_t taskSem = dispatch_semaphore_create(0);
// create dispatch semaphore
//
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("StudyBlocks", NULL);
dispatch_block_t task1 = ^(void) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < Length; i++)
s += data[i];
sum = s;
NSLog(@" >> after add: %d", sum);dispatch_semaphore_signal(taskSem);
};
dispatch_block_t task2 = ^(void) {
dispatch_semaphore_wait(taskSem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
int s = sum;
for (int i = 0; i < Length; i++)
s -= data[i];
sum = s;NSLog(@" >> after subtract: %d", sum);
dispatch_semaphore_signal(sem);
};
dispatch_async(queue, task1);
dispatch_async(queue, task2);
// wait for the semaphore: wait until resource is ready.
//
dispatch_semaphore_wait(sem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
dispatch_release(taskSem);
dispatch_release(sem);
dispatch_release(queue);
[pool drain];
在上面的代碼中，我們利用了 dispatch_queue 的 FIFO 特性，確保 task1 先于 task2 執行，而 task2 必須等待直到 task1 執行完畢才開始干正事，主線程又必須等待 task2 才能干正事。 這樣我們就可以保證先求和，再相減，然后再讓主線程運行結束這個順序。
7，使用 dispatch_apply 進行并發迭代：
對于上面的求和操作，我們也可以使用 dispatch_apply 來簡化代碼的編寫：
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
initData();
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
__block int sum = 0;
__block int *pArray = data;
// iterations
//
dispatch_apply(Length, queue, ^(size_t i) {
sum += pArray[i];
});
NSLog(@" >> sum: %d", sum);dispatch_release(queue);
[pool drain];
注意這里使用了全局 dispatch_queue。
dispatch_apply 的定義如下：
dispatch_apply(size_t iterations, dispatch_queue_t queue, void (^block)(size_t));
參數 iterations 表示迭代的次數，void (^block)(size_t) 是 block 循環體。這么做與 for 循環相比有什么好處呢？答案是：并行，這里的求和是并行的，并不是按照順序依次執行求和的。
8, dispatch group
我們可以將完成一組相關任務的 block 添加到一個 dispatch group 中去，這樣可以在 group 中所有 block 任務都完成之后，再做其他事情。比如 6 中的示例也可以使用 dispatch group 實現：
NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
initData();
__block int sum = 0;
// Create a semaphore with 0 resource
//
__block dispatch_semaphore_t taskSem = dispatch_semaphore_create(0);
// create dispatch semaphore
//
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("StudyBlocks", NULL);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();dispatch_block_t task1 = ^(void) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < Length; i++)
s += data[i];
sum = s;
NSLog(@" >> after add: %d", sum);
dispatch_semaphore_signal(taskSem);
};
dispatch_block_t task2 = ^(void) {
dispatch_semaphore_wait(taskSem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
int s = sum;
for (int i = 0; i < Length; i++)
s -= data[i];
sum = s;
NSLog(@" >> after subtract: %d", sum);
};
// Fork
dispatch_group_async(group, queue, task1);
dispatch_group_async(group, queue, task2);
// Join
dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
dispatch_release(taskSem);
dispatch_release(queue);
dispatch_release(group);
[pool drain];
在上面的代碼中，我們使用 dispatch_group_create 創建一個 dispatch_group_t，然后使用語句：dispatch_group_async(group, queue, task1); 將 block 任務加入隊列中，并與組關聯，這樣我們就可以使用 dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER); 來等待組中所有的 block 任務完成再繼續執行。
至此我們了解了 dispatch queue 以及 block 并行編程相關基本知識，開始在項目中運用它們吧，
參考資料：
Concurrency Programming Guide：
浙公網安備 33010602011771號