线程和进程，以及GCD的简单使用

进程（Process）和线程（Thread）

现代的操作系统可以同时运行多个程序。因此，我们可以在浏览器（一个程序）阅读这篇文章，同时在音乐播放器（另一个程序）上听音乐

每个程序都被称为正在执行的进程，操作系统拥有协调进程同时运行的能力，利用底层硬件的技巧。最终，我们会感觉程序同时在运行

同时执行多个操作不一定同时运行多个进程，因为每个进程都可以在其内部同时运行多个子任务（sub-task），每个子任务称为线程

我们可以将线程视为进程本身的一部分，每个进程启动时都会触发一个线程，通常称为主线程（main thread、primary thread）。随后，根据程序、开发人员需要启动、终止其他线程

可以把操作系统视为包含多个进程的容器，进程是包含多个线程的容器

进程和线程的区别

操作系统为每个进程分配一块内存。默认情况下，进程间无法共享数据，除非采用更为高级的技巧，即进程间通信

与进程不同，线程之间共享操作系统分配给其父进程的内存块。音频播放引擎可以轻松访问音乐播放器主界面中的数据，反之亦然。因此，线程之间可以很方便的进行通信。线程更为轻量级、占用资源少、创建速度快。因此，线程也被称为轻量级的进程

线程可以很方便的使程序同时执行多项任务。如果没有线程，则程序一次只能执行一项任务，在进程执行完毕后与系统进行同步。这将更加复杂和缓慢

线程的用途

一个进程内使用多个线程可以并发处理任务，提高处理速度

但有以下三点需要考虑：

1. 不是每一个程序都需要多线程。如果 app 执行顺序任务，或需要等待用户输入，多线程可能没有太大好处。
2. 不是程序线程越多，其速度就会越快。每个子任务都必须经过仔细考虑和设计，以并行执行。
3. 并发的多线程并不能保证会并行处理，具体是否会并行需要根据硬件、当前状态来确定。

有一点需要注意，如果设备不支持同时执行多种操作，则操作系统必须伪造多任务并行

并行（parallelism）是任一时间多任务同时运行，并发（concurrency）指多任务同时发生，但未必会被同时执行。

伪造并行是通过上下文切换，制造一种同时运行的错觉

并发和并行

中央处理器负责运行程序。CPU 由多个部分组成，主要部分是所谓的核心（Core），即实际执行计算的地方。任一时间单个 Core 只能执行一项任务

任一时间单个 Core 只能执行一项任务限制了程序的运行。为此，操作系统开发了高级技术，即便是单核的设备，也能提供同时运行多个进程、线程的能力。其中最重要的一项技术是抢占式多任务处理（Preemptive Multitasking），在抢占式环境下，操作系统完全决定进度调度方案，操作系统可以剥夺任务的时间片，提供给其他任务，后续再恢复执行暂停的任务

如果 CPU 仅具有一个内核，操作系统的任务之一就是将单个内核的计算资源分布给多个进程、线程，这些进程、线程将在一个循环中依次执行。这样会产生有多个程序或一个程序多项任务同时运行的假象，但此时并未实现真正的并行

现在，CPU 一般都是多核，每个内核一次可以执行一项操作，也就是 CPU 具有两核及以上才能实现真正的并行

多线程带来的问题

同一进程内的所有线程共享同一块内存，这样同一个进程内的线程可以很方便的交换数据

多个线程同时从同一内存区域读取数据并不会出现问题，但同时有线程写入、读取就会出现问题。可能出现以下两个问题：

• 数据争用 Data Race：也称为数据竞争，一个线程修改数据时，另一个线程正在读取数据。如果写入还没有完成，就会读取到修改一半或损坏的数据，在我的天气预报仿写项目中，就因为网络请求单例的数据没有完全写入单例的属性中，导致UI数据出现错误
• 竞争条件 Race Condition：也称为竞争冒险（Race Hazard）、竞态条件，指一个系统或进程的输出依赖不受控制的事件出现顺序或出现时机

CPU 的内核一次只能执行一个机器指令。因为其不可分割为更小操作，被称为原子的（atomic）

不可分割的特点使原子操作本质上线程安全。当有线程对共享数据执行原子写入时，其他线程无法读取，也就不会读取到损毁的数据；相反，当有线程对共享数据执行读取操作时，其读取到那一刻的值。线程无法插入到执行原子操作的指令中间，因此不会出现数据争用

这也是为什么我们会把线程安全的属性修饰符叫做atomic

Grand Central Dispatch的使用

GCD提供了一个队列，用于管理向其提交的任务，所有的dispatch queue都是先进先出的数据结构，因此队列中任务运行顺序与添加顺序一致，即第一个进入队列的任务，第一个被执行，第二个进入队列的任务第二个被执行，以此类推

所有的队列自身都是线程安全的，所以可以从多个线程中访问它们

GCD的队列分为串行队列和并发队列两种

串行队列

在串行队列中，一次只会执行一个任务，一个任务完成后另一个任务才会开始，两个任务间隔时间无法确定

串行队列中任务执行时间由GCD控制，唯一可以保证的是任务执行顺序和添加顺序一致

并发队列

GCD只能保证并发队列中的任务按照添加的顺序开始执行。至于task结束顺序，两个task间时间间隔，任一时间正在运行task数量都无法保证

上图中的Block 0开始一段时间后Block 1才开始执行，Block 1、Block 2、Block 3开始时间相差很短。虽然Block 3比Block 2开始的晚，但结束的早

GCD决定什么时间开始执行任务。如果两项任务执行时间重合，由GCD决定是否在另一个内核上（如果目前有空闲内核）运行任务，还是执行context switch来执行另一任务

创建和管理Dispatch Queues

在提交任务到dispatch queue之前，必须确定要使用的队列类型以及如何使用。如果有特殊用途，可以自定义配置队列

为了方便使用，GCD默认提供了主队列dispatch_get_main_queue和全局队列dispatch_get_global_queue

获取主队列

主队列是一个全局的串行队列，运行在应用程序的主线程上

    // 获取主队列dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

获取全局队列

全局队列是并发队列。

系统为每个应用程序提供了四个不同优先级的全局队列。因为这些队列是全局的，可以直接使用dispatch_get_global_queue函数请求队列，不需要显式创建

    // 获取优先级为QOS_CLASS_USER_INITIATED的全局队列dispatch_queue_t aQueue = dispatch_get_global_queue(QOS_CLASS_USER_INITIATED, 0);

dispatch_get_global_queue函数的第一个参数指定Quality of Service（简称 QoS）

指定优先级的四个参数如下：

QoS Class	用途	任务所需时间
QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE	优先级与主线程任务相同，用于处理用户正在等待、需要立即反馈的任务。追求性能和响应速度。	接近瞬间完成。
QOS_CLASS_USER_INITIATED	用于用户发起的，需要立即获得结果的任务。例如，打开磁盘上的文档，用户点击界面时执行相应操作，即用户交互的下一步需要这一步的执行结果。对响应和性能有较高要求的。	几乎瞬间完成，如几秒钟或更少。
QOS_CLASS_UTILITY	需要一些时间来完成，不需要立即返回结果。例如，下载或导入数据。一般有提示进度的进度条。追求响应和能源效率的平衡。	几秒钟至几分钟。
QOS_CLASS_BACKGROUND	在后台运行，不需要用户看到。例如：索引、同步、备份。关注能源效率。	几分钟到几个小时。

QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE的优先级与主线程相同，但QOS_CLASS_USER_INTERACTIVE仍然是在全局队列，更新UI只能在主线程中

自定义队列

除了使用系统提供的队列，还可以手动创建队列。

    // 创建串行队列dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.GCD.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);// 创建并发队列dispatch_queue_t conQueue = dispatch_queue_create("com.GCD.conQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_queue_create函数有两个参数，第一个参数指定队列名称，debugger和性能工具会显示此处队列名称以帮助跟踪任务执行情况。第二个参数指定是串行还是并发队列

我们可以创建任意数量串行队列，但这些串行队列之间是并发关系。例如，创建了四个串行队列，每个串行队列执行一个任务，系统可能同时执行这四个任务

向队列中添加任务

1. dispatch_async(queue, block)

   异步 提交一个任务到指定的队列，并且立即返回，通常用于将耗时操作（如网络请求、文件读写、大数据处理）放在后台执行，以避免阻塞主线程

2. dispatch_sync(queue, block)

   同步 提交一个任务到指定的队列，函数会 等待任务执行完毕 后才返回，在当前线程需要依赖另一个队列的任务执行结果时使用。但要特别注意，不要在主线程同步提交任务到主队列，会造成死锁

队列组

当一个队列中所有的任务全部执行完毕后，才会执行通知中的操作

• dispatch_group_create()：创建一个新的队列组
• dispatch_group_async(group, queue, block)：向队列组中添加任务
• dispatch_group_notify(group, queue, block)：在队列组中的所有任务都完成后，执行一个通知任务
• dispatch_group_wait(group, timeout)：同步等待队列组中的所有任务完成

在我的天气预报项目中有使用队列组，所以我们就用这个来当例子。我们需要等待所有的城市数据全部请求到之后，再去更新UI界面

// 根据自身的城市名称，请求所有城市的网络数据
- (void) requestAllCityWeatherData {dispatch_group_t group = dispatch_group_create();for (NSString* cityName in self.cityNameArray) {dispatch_group_enter(group);NSLog(@"新的循环，城市名为%@",cityName);__weak typeof(self) weakSelf = self;// 请求网络数据// 回调操作    dispatch_group_leave(group);}dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{for (int i = 0; i < self.allWeatherArray.count; i++) {DetailPageVC* detailVC = [[DetailPageVC alloc] init];detailVC.model.Info = self.allWeatherArray[i];detailVC.model.InfoDic = self.allWeatherDic[self.cityNameArray[i]];NSLog(@"%@",self.allWeatherDic[self.cityNameArray[i]][@"simple"]);[self.VCArray addObject:detailVC];}//        NSLog(@"发布通知");[[NSNotificationCenter defaultCenter] postNotificationName:@"updateMasterPage" object:nil];// 保存数据
//        [[NSUserDefaults standardUserDefaults] setObject:self.cityNameArray forKey:@"cityNameArray"];
//        [[NSUserDefaults standardUserDefaults] setObject:self.allWeatherArray forKey:@"allWeatherArray"];
//        [[NSUserDefaults standardUserDefaults] synchronize];});
//    [[NSNotificationCenter defaultCenter] postNotificationName:@"updateMasterPage" object:nil];}

其他方法

dispatch_once(predicate, block)

确保以下的代码只会执行一次，也是这是实现单例模式最简单、最安全的方式

+ (instancetype)sharedInstance {static Singleton *instance = nil;static dispatch_once_t onceToken;dispatch_once(&onceToken, ^{instance = [[super allocWithZone:NULL] init];});return instance;
}

dispatch_barrier_async(queue, block)

向 并发队列 提交一个“栅栏”任务。这个任务必须是队列中唯一正在执行的任务，它会等待前面提交的任务都执行完毕，然后自己开始执行，并且在它执行完成前，后面提交的任务都不能开始

通常用于读写数据库或文件。你可以在多个线程中并发地“读”，但当需要“写”时，你需要一个栅栏来确保此时没有其他线程在读写，保证数据安全