IOS系統中不同多線程技術的研究和比較

潘小龍

【摘要】 隨著蘋果手機在智能手機市場取得的成功，iOS系統也在被廣大用戶熟識和喜愛，其內部架構設計也在被越來越多的技術開發人員所剖析、研究和運用。本文從多線程的相關概念出發，對iOS系統中主流的三種多線程實現技術進行了研究和分析，并通過分析比較，總結了三者之間的不同以及優缺點，將對相關系統開發起到借鑒意義。

【關鍵詞】 iOS系統 多線程 NSThread GCD NSOperation

一、引言

從2007年第一代iPhone推出至今歷經了六代的發展，蘋果手機已經成為智能手機市場舉足輕重的一員，除去時尚的外表，卓越的性能和絕佳的用戶體驗也是蘋果手機長盛不衰的重要原因，而這正離不開iOS系統中對多線程技術的設計和實現。

本文將以多線程概念為切入點，對比分析三種主要的多線程技術并分析各自優缺點，最后給出了在實際開發過程中應側重采用哪種技術的建議。

二、多線程概述

2.1 進程與線程

進程是指正在運行中的程序，它負責程序運行時的內存分配，每一個進程都有自己獨立的虛擬內存空間。

線程是進程中一個獨立的控制單元，一個進程中至少包含一條線程，即主線程，在程序運行時，可以將耗時的執行路徑放在其他線程中執行，線程不能被終結，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線程實現并發執行的技術。一臺計算機具有多線程能力，再加上硬件的支持，因而能夠在同一時間執行多于一個線程，進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稱多處理機、多核心處理器以及芯片級多處理或同時多線程處理器。

2.3 iOS系統中的線程

在iOS系統程序啟動中，創建好一個進程的同時，一個線程便開始運行，這個線程叫主線程。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行。iOS每個進程中可以開啟多個線程，由操作系統分配短暫的時間片輪流使用CPU，由于CPU對每個時間片的處理速度非常快，因此，從用戶使用角度來看，任務是同時執行的。

三、iOS系統中三種多線程技術研究

3.1 NSThread多線程實現

NSThread是iOS系統多線程實現技術里相對輕量級的，但也是使用起來需要開發人員自己維護的：需要自己管理thread的生命周期，線程之間的同步等等問題。當不同線程需要共享同一應用程序的部分內存空間時，它們擁有對數據相同的訪問權限，這就需要開發人員協調多個線程對同一數據的訪問，而這種協調操作會導致一定的性能開銷。

NSThread的初始化有靜態和動態兩種方法：

靜態實現方法：

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

動態實現方法：

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

其中，selector：線程執行的方法，這個selector最多只能接收一個參數；target：selector消息發送的對象；argument： 傳給selector的唯一參數，也可以是nil。

這兩種方式的區別是：前者在實現后就會立即創建一個線程來做事情；而后者雖然初始化完成，但是需要手動調用start啟動線程時才會真正去創建線程。

3.2 GCD多線程實現

GCD（Grand Central Dispatch），是基于C語言的底層API。GCD的基本概念就是dispatch queue。dispatch queue是一個對象，它可以接受任務，并將任務以先到先執行的順序來執行。dispatch queue可以是并發的或串行的。并發任務會像NSOperationQueue那樣基于系統負載來合適地并發進行，串行隊列同一時間只執行單一任務。

GCD的基本思想就是將操作放在隊列中去執行，要使用隊列，首先需要調用函數dispatch_queue_create進行創建，隊列負責調度任務執行所在的線程以及具體的執行時間。其次向一個隊列提交操作，通過調用dispatch_async函數，傳入一個隊列和一個操作。隊列會在輪到這個block執行時執行該操作。

GCD中有四種主要隊列：

串行隊列：同步操作不會新建線程，操作順序執行；異步操作會新建線程，操作順序執行。

并行隊列：同步操作不會新建線程，操作順序執行；異步操作會新建多個線程，操作無序執行，隊列前如果有其他任務，會等待前面的任務完成之后再執行。

全局隊列：全局隊列是系統的，直接GET即可，與并行隊列類似，但調試時，無法確認操作所在隊列。

主隊列：每一個應用程序都對應唯一的主隊列，直接GET即可，在多線程開發中，使用主隊列更新UI。

總之，隊列不是線程，也不表示對應的CPU，隊列就是負責調度的。多線程技術的目的，就是為了在一個CPU上實現快速切換。

3.3 NSOperation&NSOperationQueue多線程實現

NSOperation是GCD提供隊列模型的Cocoa抽象，是一套Objective-C的API，而NSOperationQueue（操作隊列）則在GCD之上實現了一些方便的功能，這些功能對開發者而言通常是最好最安全的選擇。

NSOperationQueue與GCD相同，都是依靠隊列來完成多線程操作，它其中有兩種不同類型的隊列：運行在主線程上的主隊列和在后臺執行的自定義隊列。NSOperation是抽象的父類，要進行隊列處理任務時都需要繼承實現其兩個子類：NSInvocationOperation和NSBlockOperation。

使用NSOperation實現多線程調度操作時，同樣需要定義隊列，在定義完成之后需要定義要進行的操作，最后把定義的操作加入到隊列中。

從本質上看， NSOperationQueue操作隊列的性能會比GCD略低，不過，大多數情況下這點負面影響可以忽略不計，操作隊列是并發編程的首選工具。

四、三種多線程技術的總結比較

4.1 NSThread技術

優點：相對于其他兩種技術，NSThread是最輕量級的，易于上手使用，適合iOS初學者使用。

缺點：不能控制線程的數量以及執行順序，開發人員需要自己管理thread的生命周期，線程之間的同步等問題，因此容易出現開發漏洞。

4.2 GCD技術

優點：基于C語言的底層API封裝，因此在進行多線程開發時可以傳block，也可以傳c函數指針，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，GCD中無需使用@autoreleasepool。

缺點：對C語言陌生的開發人員來說理解可能存在一定困難，而且GCD一種輕量級的方法來實現多線程，控制起來比較麻煩，比如取消和暫停一個線程，以及在線程中不同操作之間的依賴關系。

4.3 NSOperation技術

優點：基于GCD的Object-C的封裝，與iOS開發適應性更強，同時因其為面相對象封裝，所以在操作不同線程任務之間的依賴上更加方便，開發人員不需要關心線程管理，數據同步的事情，可以把精力放在自己需要執行的操作上。

缺點：因為是對GCD的再一次封裝，在性能上較GCD略低。

五、結語

通過以上對iOS系統中三種主要多線程技術的研究和比較，可以得出，在實際開發過程中，開發人員應盡量避免采用輕量級的NSThread，而主要采用GCD與NSOperation實現多線程操作，這樣可以把更多的精力放在應用程序自身的業務邏輯當中。另外，隨著iOS系統的持續更新，開發人員自身技術的不斷提高，相信在未來還會出現更好的多線程技術來推動iOS系統的發展。

參 考 文 獻

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