IOS系统中不同多线程技术的研究和比较

潘小龙

【摘要】 随着苹果手机在智能手机市场取得的成功，iOS系统也在被广大用户熟识和喜爱，其内部架构设计也在被越来越多的技术开发人员所剖析、研究和运用。本文从多线程的相关概念出发，对iOS系统中主流的三种多线程实现技术进行了研究和分析，并通过分析比较，总结了三者之间的不同以及优缺点，将对相关系统开发起到借鉴意义。

【关键词】 iOS系统 多线程 NSThread GCD NSOperation

一、引言

从2007年第一代iPhone推出至今历经了六代的发展，苹果手机已经成为智能手机市场举足轻重的一员，除去时尚的外表，卓越的性能和绝佳的用户体验也是苹果手机长盛不衰的重要原因，而这正离不开iOS系统中对多线程技术的设计和实现。

本文将以多线程概念为切入点，对比分析三种主要的多线程技术并分析各自优缺点，最后给出了在实际开发过程中应侧重采用哪种技术的建议。

二、多线程概述

2.1 进程与线程

进程是指正在运行中的程序，它负责程序运行时的内存分配，每一个进程都有自己独立的虚拟内存空间。

线程是进程中一个独立的控制单元，一个进程中至少包含一条线程，即主线程，在程序运行时，可以将耗时的执行路径放在其他线程中执行，线程不能被终结，但是可以被暂停或者休眠。

2.2 多线程概念

多线程（multithreading），指的是在软件或硬件上让多个线程实现并发执行的技术。一台计算机具有多线程能力，再加上硬件的支持，因而能够在同一时间执行多于一个线程，进而使整体处理性能得到提升。具有这种能力的处理器包括对称多处理机、多核心处理器以及芯片级多处理或同时多线程处理器。

2.3 iOS系统中的线程

在iOS系统程序启动中，创建好一个进程的同时，一个线程便开始运行，这个线程叫主线程。主线程在程序中的地位和其他线程不同，它是其他线程最终的父线程，且所有界面的显示操作即UIKit的操作必须在主线程进行。iOS每个进程中可以开启多个线程，由操作系统分配短暂的时间片轮流使用CPU，由于CPU对每个时间片的处理速度非常快，因此，从用户使用角度来看，任务是同时执行的。

三、iOS系统中三种多线程技术研究

3.1 NSThread多线程实现

NSThread是iOS系统多线程实现技术里相对轻量级的，但也是使用起来需要开发人员自己维护的：需要自己管理thread的生命周期，线程之间的同步等等问题。当不同线程需要共享同一应用程序的部分内存空间时，它们拥有对数据相同的访问权限，这就需要开发人员协调多个线程对同一数据的访问，而这种协调操作会导致一定的性能开销。

NSThread的初始化有静态和动态两种方法：

静态实现方法：

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

动态实现方法：

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

其中，selector：线程执行的方法，这个selector最多只能接收一个参数；target：selector消息发送的对象；argument： 传给selector的唯一参数，也可以是nil。

这两种方式的区别是：前者在实现后就会立即创建一个线程来做事情；而后者虽然初始化完成，但是需要手动调用start启动线程时才会真正去创建线程。

3.2 GCD多线程实现

GCD（Grand Central Dispatch），是基于C语言的底层API。GCD的基本概念就是dispatch queue。dispatch queue是一个对象，它可以接受任务，并将任务以先到先执行的顺序来执行。dispatch queue可以是并发的或串行的。并发任务会像NSOperationQueue那样基于系统负载来合适地并发进行，串行队列同一时间只执行单一任务。

GCD的基本思想就是将操作放在队列中去执行，要使用队列，首先需要调用函数dispatch_queue_create进行创建，队列负责调度任务执行所在的线程以及具体的执行时间。其次向一个队列提交操作，通过调用dispatch_async函数，传入一个队列和一个操作。队列会在轮到这个block执行时执行该操作。

GCD中有四种主要队列：

串行队列：同步操作不会新建線程，操作顺序执行；异步操作会新建线程，操作顺序执行。

并行队列：同步操作不会新建线程，操作顺序执行；异步操作会新建多个线程，操作无序执行，队列前如果有其他任务，会等待前面的任务完成之后再执行。

全局队列：全局队列是系统的，直接GET即可，与并行队列类似，但调试时，无法确认操作所在队列。

主队列：每一个应用程序都对应唯一的主队列，直接GET即可，在多线程开发中，使用主队列更新UI。

总之，队列不是线程，也不表示对应的CPU，队列就是负责调度的。多线程技术的目的，就是为了在一个CPU上实现快速切换。

3.3 NSOperation&NSOperationQueue多线程实现

NSOperation是GCD提供队列模型的Cocoa抽象，是一套Objective-C的API，而NSOperationQueue（操作队列）则在GCD之上实现了一些方便的功能，这些功能对开发者而言通常是最好最安全的选择。

NSOperationQueue与GCD相同，都是依靠队列来完成多线程操作，它其中有两种不同类型的队列：运行在主线程上的主队列和在后台执行的自定义队列。NSOperation是抽象的父类，要进行队列处理任务时都需要继承实现其两个子类：NSInvocationOperation和NSBlockOperation。

使用NSOperation实现多线程调度操作时，同样需要定义队列，在定义完成之后需要定义要进行的操作，最后把定义的操作加入到队列中。

从本质上看， NSOperationQueue操作队列的性能会比GCD略低，不过，大多数情况下这点负面影响可以忽略不计，操作队列是并发编程的首选工具。

四、三种多线程技术的总结比较

4.1 NSThread技术

优点：相对于其他两种技术，NSThread是最轻量级的，易于上手使用，适合iOS初学者使用。

缺点：不能控制线程的数量以及执行顺序，开发人员需要自己管理thread的生命周期，线程之间的同步等问题，因此容易出现开发漏洞。

4.2 GCD技术

优点：基于C语言的底层API封装，因此在进行多线程开发时可以传block，也可以传c函数指针，用于多核编程，方便高效。所有的多线程代码集中在一起，便于维护，GCD中无需使用@autoreleasepool。

缺点：对C语言陌生的开发人员来说理解可能存在一定困难，而且GCD一种轻量级的方法来实现多线程，控制起来比较麻烦，比如取消和暂停一个线程，以及在线程中不同操作之间的依赖关系。

4.3 NSOperation技术

优点：基于GCD的Object-C的封装，与iOS开发适应性更强，同时因其为面相对象封装，所以在操作不同线程任务之间的依赖上更加方便，开发人员不需要关心线程管理，数据同步的事情，可以把精力放在自己需要执行的操作上。

缺点：因为是对GCD的再一次封装，在性能上较GCD略低。

五、结语

通过以上对iOS系统中三种主要多线程技术的研究和比较，可以得出，在实际开发过程中，开发人员应尽量避免采用轻量级的NSThread，而主要采用GCD与NSOperation实现多线程操作，这样可以把更多的精力放在应用程序自身的业务逻辑当中。另外，随着iOS系统的持续更新，开发人员自身技术的不断提高，相信在未来还会出现更好的多线程技术来推动iOS系统的发展。

参 考 文 献

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