iOS图形图像及核心动画实战三GCD基础知识

本教程是一个合集，涉及到的目录结构：
基础知识总结
Block基础知识
GCD实战
CoreGraphics & ImageIO实战
CoreAnimation实战

Grand Central Dispatch（GCD）概要

Grand Central Dispatch（GCD）是异步执行任务的技术之一。一般将应用程序中记述的线程管理用的代码在系统级中实现。开发者只需要定义想执行的任务并追加到适当的Dispatch Queue中，GCD就能生成必要的线程并计划执行任务。由于线程管理是作为系统的一部分来实现的，因此可统一管理，也可执行任务，这样就比以前的线程更有效率。

先来个例子：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.sharemerge.gcd",NULL);
dispatch_async(queue,^ {
    /* 
        1. 执行图片数据下载
        2. 将下载好的数据流转换成UIImage
    */
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(),^{
        /*
            将转换后的UIImage绑定到UIImageView是
        */
    });
}

特别说明

有4个术语比较容易混淆：同步、异步、并发、串行

同步和异步决定了要不要开启新的线程

  • 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
  • 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

并发和串行决定了任务的执行方式

  • 并发：多个任务并发（同时）执行
  • 串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

各种队列执行效果对比

类型 主队列 全局并发队列 手动创建串行队列
同步（Sync） 没有开启新线程；串行执行任务 没有开启新线程；串行执行任务 没有开启新线程；串行执行任务
异步（Async） 没有开启新线程；串行执行任务 有开启新线程；并发执行任务 有开启新线程；串行执行任务

创建Dispatch Queue

  1. 通过API生成
    • 同步队列
      • dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.sharemerge.gcd",NULL);
      • dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.sharemerge.gcd",DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    • 异步队列
      • dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.sharemerge.gcd",DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
  2. 获取系统标准提供
    • Main Dispatch Queue（同步）
      • dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    • Global Dispatch Queue（异步）
      • 高优先级
        • dispatch_queue_t = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH,0)
      • 默认优先级
        • dispatch_queue_t = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0)
      • 低优先级
        • dispatch_queue_t = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW,0)
      • 后台优先级
        • dispatch_queue_t = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND,0)
对比表
名称 Dispatch Queue的种类 说明
Main Dispatch Queue Serial Dispatch Queue 主线程执行
Global Dispatch Queue（High Priority） Concurrent Dispatch queue 执行优先级：高（最高优先）
Global Dispatch Queue（Default Priority） Concurrent Dispatch queue 执行优先级：默认
Global Dispatch Queue（Low Priority） Concurrent Dispatch queue 执行优先级：低
Global Dispatch Queue（Background Priority） Concurrent Dispatch queue 执行优先级：后台

dispatch_set_target_queue

dispatch_queue_create函数生成的Dispatch Queue不管是Serial Queue还是Concurrent Queue都是Default Priority，如果需要更改优先级，则需要使用dispatch_set_target_queue

使用方法：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.sharemerge.gcd",NULL);
dispatch_queue_t highPriorityQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH,0);
dispatch_set_target_queue(queue,highPriorityQueue);

如果多个Dispatch Queue（例如1个Concurrent Dispatch Queue、2个Serial Dispatch Queue，或都是Serial Dispatch Queue（就算都是Serial Dispatch Queue，理论上对所有Queue来说也应该是并行））用dispatch_set_target_queue函数指定为同一个Serial Dispatch Queue，那么原本应该是并行执行的将变成串行执行

dispatch_after

经常会有这样的场景，想在3秒后执行处理，这个需求可使用dispatch_after函数来实现。

使用方法：

dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,3ull*NSEC_PER_SEC);
dispatch_after(time,dispatch_get_main_queue(),^{
    /*
        3秒后自动执行任务
    */
});

需要注意的是，dispatch_after函数并不是在3秒后执行处理，而只是在3秒后追加处理到Dispatch Queue。上述代码中的Block最快在3秒后执行，最慢在3秒+1/60秒后执行，如果Main Dispatch Queue有大量处理追加或主线程的处理本身有延迟时，这个时间会更长。

创建dispatch_time_t

除了dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,3ull*NSEC_PER_SEC)函数可创建dispatch_time_t外，另外也可通过dispatch_walltime(const struct timespec *when, int64_t delta)生成！

  • dispatch_time通常用于计算相对时间
  • dispatch_walltime通常用于计算觉得时间
dispatch_time_t getDispatchTimeByNSDate(NSDate *date) {
    NSTimeInterval interval;
    double second,subsecond;
    struct timespec time;
    dispatch_time_t milestone; /**< Dispatch time*/
    
    interval = [date timeIntervalSinceInterval970];
    subsecond = modf(interval,&second);
    time.tv_sec = second;
    time.tv_nsec = subsecond * NSEC_PER_SEC;
    milestone = dispatch_walltime(&time,0);
    
    return milestone;
}

Dispatch Group

当追加到Dispatch Queue中的多个处理全部结束后想执行结束处理，这时可使用Dispatch Group。

使用dispatch_group_notify

使用例子：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

dispatch_group_async(group,queue,^{ // 注意区别于dispatch_async，但是它们的用处是一样的
    NSLog(@"block1");
});

dispatch_group_async(group,queue,^{
    NSLog(@"block2");
});

dispatch_group_async(group,queue,^{
    NSLog(@"block3");
});

dispatch_group_notify(group,dispatch_get_main_queue(),^{
    NSLog(@"All finished.");
});

该源代码的执行结果为（Concurrent Dispatch Queue）：

  • block2
  • block3
  • block1
  • All finshed.

因为是向Global Dispatch Queue（即Concurrent Dispatch Queue）追加处理，所以结果表现为多个线程并行处理。

使用dispatch_group_wait

使用例子：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_group_async(group,queue,^{ // 注意区别于dispatch_async，但是它们的用处是一样的
    NSLog(@"block1");
});

dispatch_group_async(group,queue,^{
    NSLog(@"block2");
});

dispatch_group_async(group,queue,^{
    NSLog(@"block3");
});

dispatch_group_wait(group,DISPATCH_TIME_FOREVER);

如果需要检测是否已经执行完毕，则可通过dispatch_group_wait的返回值进行检测
使用如下：

dispatch_time_t time = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,1ull*NSEC_PER_SEC);
long result = dispatch_group_wait(group,time);
if (0 == result) {
    /*
        属于Dispatch Group的全部处理执行结束
    */
} else {

    /*
        属于Dispatch Group的某一个处理还在执行中
    */
}

上述的time出现了2种情况：

  • DISPTACH_TIME_NOW
  • DISPTACH_TIME_FOREVER

他们具体的含义得好好说一下：如果给定的是DISPATCH_TIME_NOW，那么wait函数不用任何等待，马上返回。这是有可能返回值是1（也就是未执行完block），然后RunLoop再循环一次的时候，我们可以再判定返回值，这时有可能就是0（全部执行完毕）了；如果给定的是DISPTACH_TIME_FOREVER，那么执行dispatch_group_wait函数的现在的线程（当前线程）停止。一直等，直到Dispatch Group的处理全部执行完毕。当然除了DISPATCH_TIME_NOW或DISPATCH_TIME_FOREVER之外，我们也可指定某个wait时间

使用Dispatch Group进行“打包”

可使用dispatch_group_enter()和dispatch_group_leave()进行在区间类进行数据“打包”。

AFHTTPRequestOperationManager *manager = [AFHTTPRequestOperationManager manager];
//Enter group
dispatch_group_enter(group);
[manager GET:@"http://www.baidu.com" parameters:nil success:^(AFHTTPRequestOperation *operation, id responseObject) {
    //Deal with result...
    //Leave group
    dispatch_group_leave(group);
}    failure:^(AFHTTPRequestOperation *operation, NSError *error) {
    //Deal with error...
    //Leave group
    dispatch_group_leave(group);
}];
//More request...

使用dispatch_group_enter，dispatch_group_leave就可以方便的将一系列网络请求“打包”起来~

如果没有什么特别场景，建议使用dispatch_group_notify，因为可以简化源代码！

dispatch_barrier_async

一般来说，为了高效率的进行访问数据库或文件时，read处理会追加到Concurrent Dispatch Queue中，write处理在任一个read处理没有执行的状态下，追加到Serial Dispatch Queue中即可（在write处理结束之前，read处理不可执行）

使用方法：

dispatch_async(queue,blk0_reading);
dispatch_async(queue,blk1_reading);
dispatch_async(queue,blk2_reading);
dispatch_async(queue,blk3_reading);

dispatch_barrier_async(queue,blk_writing);

dispatch_async(queue,blk4_reading);
dispatch_async(queue,blk5_reading);
dispatch_async(queue,blk6_reading);
dispatch_async(queue,blk7_reading);

上述代码执行过程为：

  • blk2_reading

  • blk1_reading

  • blk0_reading

  • blk3_reading

  • blk_writing -- 由dispatch_barrier_async追加的处理

  • blk5_reading

  • blk6_reading

  • blk4_reading

  • blk7_reading

在dispatch_barrier_async追加writng操作前，总共有4个block需要执行；在之后，总共也有4个block需要执行！从执行结果，我们不难发现，在writing之前的还是并行的处理，当碰到dispatch_barrier_async之后，整个流程就感觉变成了Serial Dispatch Queue（也可认为是等待dispatch_barrier_async执行完）。

特别说明：barrier的中文翻译为：障碍物、屏障

dispatch_async和dispatch_sync对比

前面的例子一直使用的dispatch_async，既然有async（非同步 - asynchronous），当然也就有sync（同步 - synchronous）落！

  1. dispatch_async是将指定的Block“非同步”地追加到指定的Dispatch Queue中，dispatch_async函数不做任何等待！
  2. dispatch_sync将指定的Block"同步"地追加到指定的Dispatch Queue中，在追加Block结束之前，dispatch_sync函数会一直等待！

另外类比的还有dispatch_barrier_async和dispatch_barrier_sync两个函数！！

sync这类函数容易造成程序死锁，所以建议少用！！！
例如：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_sync(queue,^{
    NSLog(@"hello?");
});

dispatch_async(queue,^{
    dispatch_sync(queue,^{
        NSLog(@"helloc?");

dispatch_apply

dispatch_apply函数是dispatch_sync函数和Dispatch Group的关联API，该函数按指定的次数将指定的Block追加到指定的Dispatch Queue中，并等待全部处理执行结束。

使用方法（遍历NSArray）：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_PRIORITY_DEFAULT,0);
dispatch_apply([array count],queue,^(size_t index){
    NSLog(@"%zu:%@",index,[array objectAtIndex:index]);
});
NSLog(@"done");

输出结果：
4
1
0
3
5
2
6
8
9
7
done

另外由于dispatch_apply函数与dispatch_sync一样会等待处理执行结束，因此推荐在dispatch_async函数中异步执行dispatch_apply函数。
使用方法：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_PRIORITY_DEFAULT,0);
dispatch_async(queue,^{
    dispatch_apply([array count],queue,^(size_t index){
        NSLog(@"%zu:%@",index,[array objectAtIndex:index]);
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(),^{
        /*
            更新UI
        */
        NSLog(@"done");
    });
});

dispatch_suspend、dispatch_resume

当追加大量处理到Dispatch Queue（一定要注意是Queue）时，在追加处理的过程中，有时希望不执行已追加的处理。在这种情况情况下，只要挂起Dispatch Queue即可，当可以执行时再恢复。

挂起指定的Dispatch Queue

dispatch_suspend(queue)

恢复指定的Dispatch Queue

dispatch_resume(queue)

这些函数对已经执行的处理没有影响，当挂起后，追加到Dispatch Queue中但尚未执行的处理在此之后停止执行，当恢复后，这些处理将继续执行。

Dispatch Semaphone

Dispatch Semaphone是持有计数的信号，该计数是多线程编写中的计数类型信号。所谓信号，类似于过马路时常用的手旗。可以通过时举起手旗，不可通过时放下手旗。而在Dispatch Semaphone中，使用计数来实现该功能。计数为0时等待，计数为1或大于1时，减去1而不等待。

使用方法：

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_PRIORITY_DEFAULT,0);
dispatch_semaphone_t semaphone = dispatch_semaphone_create(1);
NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] init];
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    dispatch_async(queue,^{
        dispatch_semaphone_wait(semaphone,DISPATCH_TIME_FOREVER); // 计数值-1
        [array addObject:@(i)];
        dispatch_semaphone_signal(semaphone); // 计数值+1
    });
}

在没有Serial Dispatch Queue和dispatch_barrier_async函数那么大粒度且一部分处理需要进行排他控制的情况下，Dispatch Semaphone便可发挥威力。

dispatch_once

dispatch_once函数是保证在应用程序执行中只执行一次指定处理的API。主要是在多核CPU中，可能会发生多次执行某个操作。使用dispatch_once就可保证多核CPU、多线程中都仅仅执行一次！

多使用于Objective-C中的单例模式

Dispatch I/O

在读取较大文件时，如果将文件分成合适的大小并使用Global Dispatch Queue并列读取的话，应该会比一般的读取速度快不少。现今的输入/输出硬件已经可以做到一次使用多个线程更快的并列读取了，能实现这一功能的就是Dispatch I/O和Dispatch Data。

通过Dispatch I/O读写文件时，使用Global Dispatch Queue将1个文件按某个大小read/write。

dispatch_async(queue,^{
    // 读取 0 ~ 8191字节
});
dispatch_async(queue,^{
    // 读取 8192 ~ 16383字节
});
dispatch_async(queue,^{
    // 读取 16384 ~ 24575字节
});
dispatch_async(queue,^{
    // 读取 24576 ~ 32767字节
});
dispatch_async(queue,^{
    // 读取 32768 ~ 40959字节
});

可像上面一下，将文件分割为一块一块读取。读取的数据可以通过Dispatch Data进行结合。例如：

dispatch_queue_t pipe_q = dispatch_queue_create("PipeQ", NULL);
pipe_channel = dispatch_io_create(DISPATCH_IO_STREAM, fd, pipe_q, ^(int err){
    close(fd);
});

*out_fd = fdpair(1);

dispatch_io_set_water(pipe_channel,SIZE_MAX);

dispatch_io_read(pipe_channel, 0, SIZE_MAX, pipe_q, ^(bool done, dispatch_data_t pipedata, int err){
    if (err == 0) {
        size_t len = dispatch_data_get_size(pipedata);
        if (len ==0 ) {
            const char *bytes = NULL;
            char *encoded;
            
            dispatch_data_t md = dispatch_data_create_map(pipedata, (const void**)&bytes, &len);
            
            ....
        }
    }
});

如果想提高文件读取速度，可以尝试使用Dispatch I/O

Dispatch Source

监控文件夹的变化
NSArray *paths = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES);
NSString *documentsDirectory = [paths objectAtIndex:0];
NSURL *directoryURL = [NSURL fileURLWithPath:documentsDirectory isDirectory:YES];
int const fd = open([[directoryURL path] fileSystemRepresentation], O_EVTONLY);
if (fd < 0) {
    char buffer[80];
    strerror_r(errno, buffer, sizeof(buffer));
    NSLog(@"Unable to open \"%@\": %s (%d)", [directoryURL path], buffer, errno);
    return;
}
dispatch_source_t source = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_VNODE, fd,
                                                      DISPATCH_VNODE_WRITE | DISPATCH_VNODE_DELETE, DISPATCH_TARGET_QUEUE_DEFAULT);
dispatch_source_set_event_handler(source, ^(){
    unsigned long const data = dispatch_source_get_data(source);
    if (data & DISPATCH_VNODE_WRITE) {
        NSLog(@"The directory changed.");
    }
    if (data & DISPATCH_VNODE_DELETE) {
        NSLog(@"The directory has been deleted.");
    }
});
dispatch_source_set_cancel_handler(source, ^(){
    close(fd);
});
dispatch_resume(source);
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