Cocoa 多线程编程之 block 与 dispatch quene

block 是 Apple 在 GCC 4.2 中扩充的新语法特性,其目的是支持多核并行编程。咱们能够将 dispatch_queue 与 block 结合起来 使用,方便进行多线程编程。

1,实验工程准备
XCode 4.0 中,咱们创建一个 Mac OS X Application 类型的 Command Line Tool,在 Type 里面咱们选择 Foundation 就好,工程名字暂且为 StudyBlocks.默认生成的工程代码 main.m 内容以下:
int main (int argc, c*****t char * argv[])
{
    NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

    // insert code here
    NSLog(@"Hello, World!");

    [pool drain];
    return 0;
}


2,如何编写 block
在自动生成的工程代码中,默认打印一条语句"Hello, World!",这个任务能够不能够用 block 语法来实现呢?答案是确定的,请看:
    void (^aBlock)(void) = ^(void){ NSLog(@"Hello, World!"); };
    aBlock();

用上面的这两行语句替换 main.m 中的 NSLog(@"Hello, World!"); 语句,编译运行,结果是同样的。
这 两行语句是什么意思呢?首先,等号左边的 void (^aBlock)(void) 表示声明了一个 block,这个 block 不带参数(void)且也无返回参数(void);等号右边的 ^(void){ } 结构表示一个 block 的实现体,至于这个 block 具体要作的事情就都在 {} 之间了。在这里咱们仅仅是打印一条语句。整个语句就是声明一个 block,并对其赋值。第二个语句就是调用这个 block 作实际的事情,就像咱们调用函数同样。block 颇有点像 C++0X 中的 Lambda 表达式。
咱们也能够这么写:
    void (^aBlock)(void) = 0;
    aBlock = ^(void) {
        NSLog(@"Hello, World!");
    };

    aBlock();

如今咱们知道了一个 block 该如何编写了,那么 block 数组呢?也很简单,请看:
    void (^blocks[2])(void) = {
        ^(void){ NSLog(@" >> This is block 1!"); },
        ^(void){ NSLog(@" >> This is block 2!"); }
    };
    
    blocks[0]();
    blocks[1]();


谨记!
block 是分配在 stack 上的,这意味着咱们必须当心里处理 block 的生命周期。
好比以下的作法是不对的,由于 stack 分配的 block 在 if 或 else 内是有效的,可是到大括号 } 退出时就可能无效了:
   dispatch_block_t block;
  
   if (x) {
       block = ^{ printf("true\n"); };
   } else {
       block = ^{ printf("false\n"); };
   }
   block();

上面的代码就至关于下面这样的 unsafe 代码:
   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 中修改外部变量
考虑到 block 的目的是为了支持并行编程,对于普通的 local 变量,咱们就不能在 block 里面随意修改(缘由很简单,block 能够被多个线程并行运行,会有 问题的),并且若是你在 block 中修改普通的 local 变量,编译器也会报错。那么该如何修改外部变量呢?有两种办法,第一种是能够修改 static 全局变量;第二种是能够修改用新关键字 __block 修饰的变量。请看:
    NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    
    __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);

    [pool drain];

执行以后,值均为:101

类似的状况,咱们也能够引用 static block 或 __block block。好比咱们能够用他们来实现 block 递归:
    NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    
    // 1
    void (^aBlock)(int) = 0;
    static void (^ c*****t 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);
    
    [pool drain];


4,上面咱们介绍了 block 及其基本用法,但尚未涉及并行编程。 block 与 Dispatch Queue 分发队列结合起来使用,是 iOS 中并行编程的利器。请看代码:
    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 ;
        
        NSLog(@" >> Sum: %d", sum);
        
        flag = YES;
    });
    
    // wait util work is done.
    //
    while (!flag);
    dispatch_release(queue);
    
    [pool drain];


上 面的 block 仅仅是将数组求和。首先,咱们建立一个串行分发队列,而后将一个 block 任务加入到其中并行运行,这样 block 就会在新的线程中运行,直到结束返回主线程。在这里要注意 flag 的使用。flag 是 static 的,因此咱们能够 block 中修改它。 语句 while (!flag); 的目的是保证主线程不会 blcok 所在线程以前结束。
dispatch_queue_t 的定义以下:
typedef void (^dispatch_block_t)( void);
这意味着加入 dispatch_queue 中的 block 必须是无参数也无返回值的。

dispatch_queue_create 的定义以下:
dispatch_queue_t dispatch_queue_create(c*****t char *label, dispatch_queue_attr_t attr);
这个函数带有两个参数:一个用于标识 dispatch_queue 的字符串;一个是保留的 dispatch_queue 属性,将其设置为 NULL 便可。

咱们也可使用
dispatch_queue_t dispatch_get_global_queue(long priority, unsigned long flags);
来得到全局的 dispatch_queue,参数 priority 表示优先级,值得注意的是:咱们不能修改该函数返回的 dispatch_queue。
dispatch_async 函数的定义以下:
void dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
它是将一个 block 加入一个 dispatch_queue,这个 block 会再其后获得调度时,并行运行。
相应的 dispatch_sync 函数就是同步执行了,通常不多用到。好比上面的代码若是咱们修改成 dispatch_sync,那么就无需编写 flag 同步代码了。

5,dispatch_queue 的运做机制及线程间同步
我 们能够将许多 blocks 用 dispatch_async 函数提交到到 dispatch_queue 串行运行。这些 blocks 是按照 FIFO(先入先出)规则调度的,也就是说,先加入的先执行,后加入的必定后执行,但在某一个时刻,可能有多个 block 同时在执行。
在上面 的例子中,咱们的主线程一直在轮询 flag 以便知晓 block 线程是否执行完毕,这样作的效率是很低的,严重浪费 CPU 资源。咱们可使用一些通讯机制来解决这个问题,如:semaphore(信号量)。 semaphore 的原理很简单,就是生产-消费模式,必须生产一些资源才能消费,没有资源的时候,那我就啥也不干,直到资源就绪。

下面来看代码:
    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;
        
        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 先咱们建立一个 __block semaphore,并将其资源初始值设置为 0 (不能少于 0),在这里表示任务尚未完成,没有资源可用主线程不要作事情。而后在 block 任务完成以后,使用 dispatch_semaphore_signal 增长 semaphore 计数(可理解为资源数),代表任务完成,有资源可用主线程能够作事情了。而主线程中的 dispatch_semaphore_wait 就是减小 semaphore 的计数,若是资源数少于 0,则代表资源还可不得,我得按照FIFO(先等先得)的规则等待资源就绪,一旦资源就绪而且获得调度了,我再执行。
6 示例:
下面咱们来看一个按照 FIFO 顺序执行并用 semaphore 同步的例子:先将数组求和再依次减去数组。
    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;
        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;
        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 上面的代码中,咱们利用了 dispatch_queue 的 FIFO 特性,确保 task1 先于 task2 执行,而 task2 必须等待直到 task1 执行完毕才开始干正事,主线程又必须等待 task2 才能干正事。 这样咱们就能够保证先求和,再相减,而后再让主线程运行结束这个顺序。
7,使用 dispatch_apply 进行并发迭代:
对于上面的求和操做,咱们也可使用 dispatch_apply 来简化代码的编写:
    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;
    
    // iterati*****
    //
    dispatch_apply(Length, queue, ^(size_t i) {
        sum += pArray;
    });
    
    NSLog(@" >> sum: %d", sum);

    dispatch_release(queue);

    [pool drain];

注意这里使用了全局 dispatch_queue。
dispatch_apply 的定义以下:
dispatch_apply(size_t iterati*****, dispatch_queue_t queue, void (^block)(size_t));
参数 iterati***** 表示迭代的次数,void (^block)(size_t) 是 block 循环体。这么作与 for 循环相比有什么好处呢?答案是:并行,这里的求和是并行的,并非按照顺序依次执行求和的。
8, dispatch group
咱们能够将完成一组相关任务的 block 添加到一个 dispatch group 中去,这样能够在 group 中全部 block 任务都完成以后,再作其余事情。好比 6 中的示例也可使用 dispatch group 实现:
    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;
        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;         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 上面的代码中,咱们使用 dispatch_group_create 建立一个 dispatch_group_t,而后使用语句:dispatch_group_async(group, queue, task1); 将 block 任务加入队列中,并与组关联,这样咱们就可使用 dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER); 来等待组中全部的 block 任务完成再继续执行。 至此咱们了解了 dispatch queue 以及 block 并行编程相关基本知
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