IOS系統(tǒng)中不同多線程技術(shù)的研究和比較

潘小龍

【摘要】 隨著蘋果手機(jī)在智能手機(jī)市場(chǎng)取得的成功，iOS系統(tǒng)也在被廣大用戶熟識(shí)和喜愛(ài)，其內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)也在被越來(lái)越多的技術(shù)開(kāi)發(fā)人員所剖析、研究和運(yùn)用。本文從多線程的相關(guān)概念出發(fā)，對(duì)iOS系統(tǒng)中主流的三種多線程實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并通過(guò)分析比較，總結(jié)了三者之間的不同以及優(yōu)缺點(diǎn)，將對(duì)相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)起到借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】 iOS系統(tǒng) 多線程 NSThread GCD NSOperation

一、引言

從2007年第一代iPhone推出至今歷經(jīng)了六代的發(fā)展，蘋果手機(jī)已經(jīng)成為智能手機(jī)市場(chǎng)舉足輕重的一員，除去時(shí)尚的外表，卓越的性能和絕佳的用戶體驗(yàn)也是蘋果手機(jī)長(zhǎng)盛不衰的重要原因，而這正離不開(kāi)iOS系統(tǒng)中對(duì)多線程技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

本文將以多線程概念為切入點(diǎn)，對(duì)比分析三種主要的多線程技術(shù)并分析各自優(yōu)缺點(diǎn)，最后給出了在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)側(cè)重采用哪種技術(shù)的建議。

二、多線程概述

2.1 進(jìn)程與線程

進(jìn)程是指正在運(yùn)行中的程序，它負(fù)責(zé)程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存分配，每一個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的虛擬內(nèi)存空間。

線程是進(jìn)程中一個(gè)獨(dú)立的控制單元，一個(gè)進(jìn)程中至少包含一條線程，即主線程，在程序運(yùn)行時(shí)，可以將耗時(shí)的執(zhí)行路徑放在其他線程中執(zhí)行，線程不能被終結(jié)，但是可以被暫停或者休眠。

2.2 多線程概念

多線程（multithreading），指的是在軟件或硬件上讓多個(gè)線程實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)具有多線程能力，再加上硬件的支持，因而能夠在同一時(shí)間執(zhí)行多于一個(gè)線程，進(jìn)而使整體處理性能得到提升。具有這種能力的處理器包括對(duì)稱多處理機(jī)、多核心處理器以及芯片級(jí)多處理或同時(shí)多線程處理器。

2.3 iOS系統(tǒng)中的線程

在iOS系統(tǒng)程序啟動(dòng)中，創(chuàng)建好一個(gè)進(jìn)程的同時(shí)，一個(gè)線程便開(kāi)始運(yùn)行，這個(gè)線程叫主線程。主線程在程序中的地位和其他線程不同，它是其他線程最終的父線程，且所有界面的顯示操作即UIKit的操作必須在主線程進(jìn)行。iOS每個(gè)進(jìn)程中可以開(kāi)啟多個(gè)線程，由操作系統(tǒng)分配短暫的時(shí)間片輪流使用CPU，由于CPU對(duì)每個(gè)時(shí)間片的處理速度非常快，因此，從用戶使用角度來(lái)看，任務(wù)是同時(shí)執(zhí)行的。

三、iOS系統(tǒng)中三種多線程技術(shù)研究

3.1 NSThread多線程實(shí)現(xiàn)

NSThread是iOS系統(tǒng)多線程實(shí)現(xiàn)技術(shù)里相對(duì)輕量級(jí)的，但也是使用起來(lái)需要開(kāi)發(fā)人員自己維護(hù)的：需要自己管理thread的生命周期，線程之間的同步等等問(wèn)題。當(dāng)不同線程需要共享同一應(yīng)用程序的部分內(nèi)存空間時(shí)，它們擁有對(duì)數(shù)據(jù)相同的訪問(wèn)權(quán)限，這就需要開(kāi)發(fā)人員協(xié)調(diào)多個(gè)線程對(duì)同一數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，而這種協(xié)調(diào)操作會(huì)導(dǎo)致一定的性能開(kāi)銷。

NSThread的初始化有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法：

靜態(tài)實(shí)現(xiàn)方法：

+（void）detachNewThreadSelector：（SEL）selector toTarget：（id）target withObject：（id）argument；

動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)方法：

-（id）initWithTarget：（id）target selector：（SEL）selector object：（id）argument；

其中，selector：線程執(zhí)行的方法，這個(gè)selector最多只能接收一個(gè)參數(shù)；target：selector消息發(fā)送的對(duì)象；argument： 傳給selector的唯一參數(shù)，也可以是nil。

這兩種方式的區(qū)別是：前者在實(shí)現(xiàn)后就會(huì)立即創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)做事情；而后者雖然初始化完成，但是需要手動(dòng)調(diào)用start啟動(dòng)線程時(shí)才會(huì)真正去創(chuàng)建線程。

3.2 GCD多線程實(shí)現(xiàn)

GCD（Grand Central Dispatch），是基于C語(yǔ)言的底層API。GCD的基本概念就是dispatch queue。dispatch queue是一個(gè)對(duì)象，它可以接受任務(wù)，并將任務(wù)以先到先執(zhí)行的順序來(lái)執(zhí)行。dispatch queue可以是并發(fā)的或串行的。并發(fā)任務(wù)會(huì)像NSOperationQueue那樣基于系統(tǒng)負(fù)載來(lái)合適地并發(fā)進(jìn)行，串行隊(duì)列同一時(shí)間只執(zhí)行單一任務(wù)。

GCD的基本思想就是將操作放在隊(duì)列中去執(zhí)行，要使用隊(duì)列，首先需要調(diào)用函數(shù)dispatch_queue_create進(jìn)行創(chuàng)建，隊(duì)列負(fù)責(zé)調(diào)度任務(wù)執(zhí)行所在的線程以及具體的執(zhí)行時(shí)間。其次向一個(gè)隊(duì)列提交操作，通過(guò)調(diào)用dispatch_async函數(shù)，傳入一個(gè)隊(duì)列和一個(gè)操作。隊(duì)列會(huì)在輪到這個(gè)block執(zhí)行時(shí)執(zhí)行該操作。

GCD中有四種主要隊(duì)列：

串行隊(duì)列：同步操作不會(huì)新建線程，操作順序執(zhí)行；異步操作會(huì)新建線程，操作順序執(zhí)行。

并行隊(duì)列：同步操作不會(huì)新建線程，操作順序執(zhí)行；異步操作會(huì)新建多個(gè)線程，操作無(wú)序執(zhí)行，隊(duì)列前如果有其他任務(wù)，會(huì)等待前面的任務(wù)完成之后再執(zhí)行。

全局隊(duì)列：全局隊(duì)列是系統(tǒng)的，直接GET即可，與并行隊(duì)列類似，但調(diào)試時(shí)，無(wú)法確認(rèn)操作所在隊(duì)列。

主隊(duì)列：每一個(gè)應(yīng)用程序都對(duì)應(yīng)唯一的主隊(duì)列，直接GET即可，在多線程開(kāi)發(fā)中，使用主隊(duì)列更新UI。

總之，隊(duì)列不是線程，也不表示對(duì)應(yīng)的CPU，隊(duì)列就是負(fù)責(zé)調(diào)度的。多線程技術(shù)的目的，就是為了在一個(gè)CPU上實(shí)現(xiàn)快速切換。

3.3 NSOperation&NSOperationQueue多線程實(shí)現(xiàn)

NSOperation是GCD提供隊(duì)列模型的Cocoa抽象，是一套Objective-C的API，而NSOperationQueue（操作隊(duì)列）則在GCD之上實(shí)現(xiàn)了一些方便的功能，這些功能對(duì)開(kāi)發(fā)者而言通常是最好最安全的選擇。

NSOperationQueue與GCD相同，都是依靠隊(duì)列來(lái)完成多線程操作，它其中有兩種不同類型的隊(duì)列：運(yùn)行在主線程上的主隊(duì)列和在后臺(tái)執(zhí)行的自定義隊(duì)列。NSOperation是抽象的父類，要進(jìn)行隊(duì)列處理任務(wù)時(shí)都需要繼承實(shí)現(xiàn)其兩個(gè)子類：NSInvocationOperation和NSBlockOperation。

使用NSOperation實(shí)現(xiàn)多線程調(diào)度操作時(shí)，同樣需要定義隊(duì)列，在定義完成之后需要定義要進(jìn)行的操作，最后把定義的操作加入到隊(duì)列中。

從本質(zhì)上看， NSOperationQueue操作隊(duì)列的性能會(huì)比GCD略低，不過(guò)，大多數(shù)情況下這點(diǎn)負(fù)面影響可以忽略不計(jì)，操作隊(duì)列是并發(fā)編程的首選工具。

四、三種多線程技術(shù)的總結(jié)比較

4.1 NSThread技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于其他兩種技術(shù)，NSThread是最輕量級(jí)的，易于上手使用，適合iOS初學(xué)者使用。

缺點(diǎn)：不能控制線程的數(shù)量以及執(zhí)行順序，開(kāi)發(fā)人員需要自己管理thread的生命周期，線程之間的同步等問(wèn)題，因此容易出現(xiàn)開(kāi)發(fā)漏洞。

4.2 GCD技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：基于C語(yǔ)言的底層API封裝，因此在進(jìn)行多線程開(kāi)發(fā)時(shí)可以傳block，也可以傳c函數(shù)指針，用于多核編程，方便高效。所有的多線程代碼集中在一起，便于維護(hù)，GCD中無(wú)需使用@autoreleasepool。

缺點(diǎn)：對(duì)C語(yǔ)言陌生的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)理解可能存在一定困難，而且GCD一種輕量級(jí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程，控制起來(lái)比較麻煩，比如取消和暫停一個(gè)線程，以及在線程中不同操作之間的依賴關(guān)系。

4.3 NSOperation技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：基于GCD的Object-C的封裝，與iOS開(kāi)發(fā)適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)因其為面相對(duì)象封裝，所以在操作不同線程任務(wù)之間的依賴上更加方便，開(kāi)發(fā)人員不需要關(guān)心線程管理，數(shù)據(jù)同步的事情，可以把精力放在自己需要執(zhí)行的操作上。

缺點(diǎn)：因?yàn)槭菍?duì)GCD的再一次封裝，在性能上較GCD略低。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)iOS系統(tǒng)中三種主要多線程技術(shù)的研究和比較，可以得出，在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)盡量避免采用輕量級(jí)的NSThread，而主要采用GCD與NSOperation實(shí)現(xiàn)多線程操作，這樣可以把更多的精力放在應(yīng)用程序自身的業(yè)務(wù)邏輯當(dāng)中。另外，隨著iOS系統(tǒng)的持續(xù)更新，開(kāi)發(fā)人員自身技術(shù)的不斷提高，相信在未來(lái)還會(huì)出現(xiàn)更好的多線程技術(shù)來(lái)推動(dòng)iOS系統(tǒng)的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]駱斌，費(fèi)翔林.多線程技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2000，（04）：407-412.

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