罗朝辉(飘飘白云)

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深入浅出 Cocoa 多线程编程之 block 与 dispatch quene
罗朝辉(http://www.cppblog.com/kesalin
CC 许可,转载请注明出处
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。我们可以将 dispatch_queue 与 block 结合起来使用,方便进行多线程编程。
本文源代码下载:点击下载

1,实验工程准备
在 XCode 4.0 中,我们建立一个 Mac OS X Application 类型的 Command Line Tool,在 Type 里面我们选择 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!",这个任务可以不可以用 block 语法来实现呢?答案是肯定的,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,结果是一样的。
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 具体要做的事情就都在 {} 之间了。在这里我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 做实际的事情,就像我们调用函数一样。block 很有点像 C++0X 中的 Lambda 表达式。
我们也可以这么写:
    void (^aBlock)(void= 0;
    aBlock 
= ^(void) {
        NSLog(
@"Hello, World!");
    };

    aBlock();

现在我们知道了一个 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,这意味着我们必须小心里处理 block 的生命周期。
比如如下的做法是不对的,因为 stack 分配的 block 在 if 或 else 内是有效的,但是到大括号 } 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();

上面的代码就相当于下面这样的 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,我们就不能在 block 里面随意修改(原因很简单,block 可以被多个线程并行运行,会有问题的),而且如果你在 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,第一种是可以修改 static 全局变量;第二种是可以修改用新关键字 __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];

执行之后,值均为:101

相似的情况,我们也可以引用 static block 或 __block block。比如我们可以用他们来实现 block 递归:
    NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
    
    
// 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);
    
    [pool drain];


4,上面我们介绍了 block 及其基本用法,但还没有涉及并行编程。 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[i];
        
        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,我们创建一个串行分发队列,然后将一个 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,所以我们可以 block 中修改它。 语句 while (!flag); 的目的是保证主线程不会 blcok 所在线程之前结束。
dispatch_queue_t 的定义如下:
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 的定义如下:
dispatch_queue_t dispatch_queue_create(const 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 即可。

我们也可以使用
dispatch_queue_t dispatch_get_global_queue(long priority, unsigned long flags);
来获得全局的 dispatch_queue,参数 priority 表示优先级,值得注意的是:我们不能修改该函数返回的 dispatch_queue。
dispatch_async 函数的定义如下:
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 会再其后得到调度时,并行运行。
相应的 dispatch_sync 函数就是同步执行了,一般很少用到。比如上面的代码如果我们修改为 dispatch_sync,那么就无需编写 flag 同步代码了。

5,dispatch_queue 的运作机制及线程间同步
我们可以将许多 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,后加入的一定后执行,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,我们的主线程一直在轮询 flag 以便知晓 block 线程是否执行完毕,这样做的效率是很低的,严重浪费 CPU 资源。我们可以使用一些通信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[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];

首先我们创建一个 __block semaphore,并将其资源初始值设置为 0 (不能少于 0),在这里表示任务还没有完成,没有资源可用主线程不要做事情。然后在 block 任务完成之后,使用 dispatch_semaphore_signal 增加 semaphore 计数(可理解为资源数),表明任务完成,有资源可用主线程可以做事情了。而主线程中的 dispatch_semaphore_wait 就是减少 semaphore 的计数,如果资源数少于 0,则表明资源还可不得,我得按照FIFO(先等先得)的规则等待资源就绪,一旦资源就绪并且得到调度了,我再执行。
6 示例:
下面我们来看一个按照 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[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];

在上面的代码中,我们利用了 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。 这样我们就可以保证先求和,再相减,然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:
对于上面的求和操作,我们也可以使用 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;
    
    
// iterations
    
//
    dispatch_apply(Length, queue, ^(size_t i) {
        sum 
+= pArray[i];
    });
    
    NSLog(
@" >> sum: %d", sum);

    dispatch_release(queue);

    [pool drain];

注意这里使用了全局 dispatch_queue。
dispatch_apply 的定义如下:
dispatch_apply(size_t iterations, dispatch_queue_t queue, void (^block)(size_t));
参数 iterations 表示迭代的次数,void (^block)(size_t) 是 block 循环体。这么做与 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,并不是按照顺序依次执行求和的。
8, dispatch group
我们可以将完成一组相关任务的 block 添加到一个 dispatch group 中去,这样可以在 group 中所有 block 任务都完成之后,再做其他事情。比如 6 中的示例也可以使用 dispatch group 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[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];

在上面的代码中,我们使用 dispatch_group_create 创建一个 dispatch_group_t,然后使用语句:dispatch_group_async(group, queue, task1); 将 block 任务加入队列中,并与组关联,这样我们就可以使用 dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER); 来等待组中所有的 block 任务完成再继续执行。
至此我们了解了 dispatch queue 以及 block 并行编程相关基本知识,开始在项目中运用它们吧。
参考资料:
Concurrency Programming Guide:
posted on 2011-08-26 13:23 罗朝辉 阅读(11974) 评论(5)  编辑 收藏 引用 所属分类: 移动开发Cocoa 开发

评论

# re: 深入浅出 iOS多线程编程之 block 与 dispatch quene 2011-09-02 01:44 zenny_chen
看过,呵呵~~  回复  更多评论
  

# re: [Cocoa]深入浅出Cocoa多线程编程之 block 与 dispatch quene 2011-10-31 17:53 hsiun
好想ios不支持block数组。mac支持!  回复  更多评论
  

# re: [Cocoa]深入浅出Cocoa多线程编程之 block 与 dispatch quene 2012-05-19 11:46 tony508
dispatch_queue_create本来不就是串行的,为什么还要加semaphore  回复  更多评论
  

# re: [Cocoa]深入浅出Cocoa多线程编程之 block 与 dispatch quene 2012-05-23 07:42 罗朝辉
@tony508
用来同步的。  回复  更多评论
  

# re: [Cocoa]深入浅出Cocoa多线程编程之 block 与 dispatch quene 2012-10-23 22:44 Neu_Tobe
学习了。不过想问,这什么时候适合用dispatch queue呢?  回复  更多评论
  


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