04-iOS-OC常用语法-----简介与常规应用|多线程方案【pthread、NSThread、NSOperation、NSOperationQueue】

没有故事的Zhang同学
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前言

最近在围绕iOS编程语言（OC&&Swift）的语法 探索iOS的底层原理实现,在即将探索到 OC 面向对象语法中的:GCD多线程底层原理实现 之前,先简单对在多线程相关的知识点有一个简单的回顾。在上一篇文章中,我们已经对多线程的一些相关知识点有了简单的了解:包括:进程与线程、CPU与多线程、生命周期、线程池、线程锁、线程与RunLoop、iOS的多程方案等。

在本篇文章中,会围绕iOS的几种多线程方案展开,对pthread、NSThread、NSOperation、NSOperationQueue等知识有一个简单的回顾。

一、pthread

1.1 pthread 简介

POSIX 线程（POSIX threads），简称 pthread，是线程的 POSIX 标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套 API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用 Pthreads 作为操作系统的线程。Windows 操作系统也有其移植版 pthreads-win32。

pthread 是一套通用的多线程的 API，可以在Unix / Linux / Windows 等系统跨平台使用，使用 C 语言编写，需要程序员自己管理线程的生命周期，使用难度较大，我们在 iOS 开发中几乎不使用 pthread，但是还是来可以了解一下的。

1.2 pthread 使用方法

  1. 首先要包含头文件#import <pthread.h>
  2. 其次要创建线程，并开启线程执行任务
// 1. 创建线程: 定义一个pthread_t类型变量
pthread_t thread;
// 2. 开启线程: 执行任务
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 3. 设置子线程的状态设置为 detached，该线程运行结束后会自动释放所有资源
pthread_detach(thread);

void * run(void *param)    // 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
{
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);

    return NULL;
}

  • pthread_create(&thread, NULL, run, NULL); 中各项参数含义：

    • 第一个参数&thread是线程对象，指向线程标识符的指针
    • 第二个是线程属性，可赋值NULL
    • 第三个run表示指向函数的指针(run对应函数里是需要在新线程中执行的任务)
    • 第四个是运行函数的参数，可赋值NULL

1.3 pthread 其他相关方法

  • pthread_create() 创建一个线程
  • pthread_exit() 终止当前线程
  • pthread_cancel() 中断另外一个线程的运行
  • pthread_join() 阻塞当前的线程，直到另外一个线程运行结束
  • pthread_attr_init() 初始化线程的属性
  • pthread_attr_setdetachstate() 设置脱离状态的属性（决定这个线程在终止时是否可以被结合）
  • pthread_attr_getdetachstate() 获取脱离状态的属性
  • pthread_attr_destroy() 删除线程的属性
  • pthread_kill() 向线程发送一个信号

2. NSThread

NSThread 是苹果官方提供的，使用起来比 pthread 更加面向对象，简单易用，可以直接操作线程对象。
不过也需要需要程序员自己管理线程的生命周期(主要是创建)，我们在开发的过程中偶尔使用 NSThread。比如我们会经常调用[NSThread currentThread]来显示当前的进程信息。

下边我们说说 NSThread 如何使用。

2.1 创建、启动线程

  • 先创建线程，再启动线程
// 1. 创建线程
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
// 2. 启动线程
[thread start];    // 线程一启动，就会在线程thread中执行self的run方法

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}
  • 创建线程后自动启动线程
// 1. 创建线程后自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}
  • 隐式创建并启动线程
// 1. 隐式创建并启动线程
[self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
     NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

2.2 线程相关用法

// 获得主线程
+ (NSThread *)mainThread;    

// 判断是否为主线程(对象方法)
- (BOOL)isMainThread;

// 判断是否为主线程(类方法)
+ (BOOL)isMainThread;    

// 获得当前线程
NSThread *current = [NSThread currentThread];

// 线程的名字——setter方法
- (void)setName:(NSString *)n;    

// 线程的名字——getter方法
- (NSString *)name;

2.3 线程状态控制方法

  • 启动线程方法
- (void)start;
// 线程进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态
  • 阻塞（暂停）线程方法
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
// 线程进入阻塞状态
  • 强制停止线程
+ (void)exit;
// 线程进入死亡状态

2.4 线程之间的通信

在开发中，我们经常会在子线程进行耗时操作，操作结束后再回到主线程去刷新 UI。这就涉及到了子线程和主线程之间的通信。我们先来了解一下官方关于 NSThread 的线程间通信的方法。

// 在主线程上执行操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray<NSString *> *)array;
  // equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes

// 在指定线程上执行操作
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 在当前线程上执行操作，调用 NSObject 的 performSelector:相关方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

下面通过一个经典的下载图片 DEMO 来展示线程之间的通信。具体步骤如下：

  1. 开启一个子线程，在子线程中下载图片。
  2. 回到主线程刷新 UI，将图片展示在 UIImageView 中。

DEMO 代码如下：

/**
 * 创建一个线程下载图片
 */
- (void)downloadImageOnSubThread {
    // 在创建的子线程中调用downloadImage下载图片
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
}

/**
 * 下载图片，下载完之后回到主线程进行 UI 刷新
 */
- (void)downloadImage {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 1. 获取图片 imageUrl
    NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];
    
    // 2. 从 imageUrl 中读取数据(下载图片) -- 耗时操作
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
    // 通过二进制 data 创建 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];
    
    // 3. 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

/**
 * 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
 */
- (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 赋值图片到imageview
    self.imageView.image = image;
}

2.5 NSThread 线程安全和线程同步

线程安全:
如果我们的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行同一段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作（更改变量），一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

线程同步:
可理解为线程 A 和 线程 B 一块配合，A 执行到一定程度时要依靠线程 B 的某个结果，于是停下来，示意 B 运行；B 依言执行，再将结果给 A；A 再继续操作。

举个简单例子就是：两个人在一起聊天。两个人不能同时说话，避免听不清(操作冲突)。等一个人说完(一个线程结束操作)，另一个再说(另一个线程再开始操作)。

下面，我们模拟火车票售卖的方式，实现 NSThread 线程安全和解决线程同步问题。

场景：总共有50张火车票，有两个售卖火车票的窗口，一个是北京火车票售卖窗口，另一个是上海火车票售卖窗口。两个窗口同时售卖火车票，卖完为止。

2.5.1 NSThread 非线程安全

先来看看不考虑线程安全的代码：

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    // 1. 设置剩余火车票为 50
    self.ticketSurplusCount = 50;
    
    // 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
    
    // 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
    
    // 4. 开始售卖火车票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];

}

/**
 * 售卖火车票(非线程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        //如果还有票，继续售卖
        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            self.ticketSurplusCount --;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数：%ld 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        }
        //如果已卖完，关闭售票窗口
        else {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

运行后部分结果为：

image.png

可以看到在不考虑线程安全的情况下，得到票数是错乱的，这样显然不符合我们的需求，所以我们需要考虑线程安全问题。

2.5.2 NSThread 线程安全

线程安全解决方案:
可以给线程加锁，在一个线程执行该操作的时候，不允许其他线程进行操作。iOS 实现线程加锁有很多种方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/get等等各种方式。
为了简单起见，这里先不对各种锁的解决方案和性能做分析，只用最简单的@synchronized来保证线程安全，从而解决线程同步问题。

考虑线程安全的代码：

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusSave {
    // 1. 设置剩余火车票为 50
    self.ticketSurplusCount = 50;
    
    // 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
    
    // 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
    
    // 4. 开始售卖火车票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
    
}

/**
 * 售卖火车票(线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        // 互斥锁
        @synchronized (self) {
            //如果还有票，继续售卖
            if (self.ticketSurplusCount > 0) {
                self.ticketSurplusCount --;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数：%ld 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            }
            //如果已卖完，关闭售票窗口
            else {
                NSLog(@"所有火车票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

运行后结果为：

image.png

省略一部分结果图。。。

image.png

可以看出，在考虑了线程安全的情况下，加锁之后，得到的票数是正确的，没有出现混乱的情况。我们也就解决了多个线程同步的问题。

2.6 线程的状态转换

当我们新建一条线程NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil]; ，在内存中的表现为：

当调用[thread start];后，系统把线程对象放入可调度线程池中，线程对象进入就绪状态，如下图所示。

当然，可调度线程池中，会有其他的线程对象，如下图所示。在这里我们只关心左边的线程对象。

下边我们来看看当前线程的状态转换。

  • 如果CPU现在调度当前线程对象，则当前线程对象进入运行状态，如果CPU调度其他线程对象，则当前线程对象回到就绪状态。
  • 如果CPU在运行当前线程对象的时候调用了sleep方法\等待同步锁，则当前线程对象就进入了阻塞状态，等到sleep到时\得到同步锁，则回到就绪状态。
  • 如果CPU在运行当前线程对象的时候线程任务执行完毕\异常强制退出，则当前线程对象进入死亡状态。

只看文字可能不太好理解，具体当前线程对象的状态变化如下图所示。

三、 NSOperation、NSOperationQueue

3.1 NSOperation、NSOperationQueue 简介

NSOperation、NSOperationQueue 是苹果提供给我们的一套多线程解决方案。

  • 实际上 NSOperation、NSOperationQueue 是基于 GCD 更高一层的封装，完全面向对象
  • 但是比 GCD 更简单易用、代码可读性也更高。

为什么要使用 NSOperation、NSOperationQueue？

  1. 可添加完成的代码块，在操作完成后执行。
  2. 添加操作之间的依赖关系，方便的控制执行顺序。
  3. 设定操作执行的优先级。
  4. 可以很方便的取消一个操作的执行。
  5. 使用 KVO 观察对操作执行状态的更改：isExecuteing、isFinished、isCancelled。

3.2 NSOperation、NSOperationQueue 操作和操作队列

既然是基于 GCD 的OC封装。那么，GCD 中的一些概念同样适用于 NSOperation、NSOperationQueue。在 NSOperation、NSOperationQueue 中也有类似的任务（操作） 和 队列（操作队列） 的概念。

  • 操作（Operation）：

    • 执行操作的意思，换句话说就是你在线程中执行的那段代码。
    • 在 GCD 中是放在 block 中的。在 NSOperation 中，我们使用 NSOperation 子类 NSInvocationOperation、NSBlockOperation，或者自定义子类来封装操作。

  • 操作队列（Operation Queues）：

    • 这里的队列指操作队列，即用来存放操作的队列。
    • 不同于 GCD 中的调度队列 FIFO（先进先出）的原则。NSOperationQueue 对于添加到队列中的操作:
      • 首先进入准备就绪的状态（就绪状态取决于操作之间的依赖关系）
      • 然后进入就绪状态的操作的开始执行顺序（非结束执行顺序）
      • 由操作之间相对的优先级决定（优先级是操作对象自身的属性）。
    • 操作队列通过设置 最大并发操作数（maxConcurrentOperationCount） 来控制并发、串行。
    • NSOperationQueue 为我们提供了两种不同类型的队列：主队列和自定义队列
      • 主队列运行在主线程之上
      • 自定义队列在后台执行

3.3 NSOperation、NSOperationQueue 使用步骤

NSOperation 需要配合 NSOperationQueue 来实现多线程。

  • 因为默认情况下，NSOperation 单独使用时系统同步执行操作
  • 配合 NSOperationQueue 我们能更好的实现异步执行。

NSOperation 实现多线程的使用步骤分为三步：

  1. 创建操作：先将需要执行的操作封装到一个 NSOperation 对象中。
  2. 创建队列：创建 NSOperationQueue 对象。
  3. 将操作加入到队列中：将 NSOperation 对象添加到 NSOperationQueue 对象中。

之后呢，系统就会自动将 NSOperationQueue 中的 NSOperation 取出来，在新线程中执行操作。

下面我们来学习下 NSOperation 和 NSOperationQueue 的基本使用。

3.4. NSOperation 和 NSOperationQueue 基本使用

3.4.1 创建操作

NSOperation 是个抽象类，不能用来封装操作。我们只有使用它的子类来封装操作。我们有三种方式来封装操作

  1. 使用子类 NSInvocationOperation
  2. 使用子类 NSBlockOperation
  3. 自定义继承自 NSOperation 的子类，通过实现内部相应的方法来封装操作。

在不使用 NSOperationQueue，单独使用 NSOperation 的情况下系统同步执行操作，下面我们学习以下操作的三种创建方式。

3.4.1.1 使用子类 NSInvocationOperation

/**
 * 使用子类 NSInvocationOperation
 */
- (void)useInvocationOperation {

    // 1.创建 NSInvocationOperation 对象
    NSInvocationOperation *op = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task1) object:nil];

    // 2.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

/**
 * 任务1
 */
- (void)task1 {
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
        NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
    }
}

输出结果： image.png

  • 可以看到：在没有使用 NSOperationQueue、在主线程中单独使用使用子类 NSInvocationOperation 执行一个操作的情况下，操作是在当前线程执行的，并没有开启新线程。

如果在其他线程中执行操作，则打印结果为其他线程。

// 在其他线程使用子类 NSInvocationOperation
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(useInvocationOperation) toTarget:self withObject:nil];

输出结果： image.png

  • 可以看到：在其他线程中单独使用子类 NSInvocationOperation，操作是在当前调用的其他线程执行的，并没有开启新线程。

下边再来看看 NSBlockOperation。

3.4.1.2 使用子类 NSBlockOperation

/**
 * 使用子类 NSBlockOperation
 */
- (void)useBlockOperation {

    // 1.创建 NSBlockOperation 对象
    NSBlockOperation *op = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 2.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

输出结果：

  • 可以看到：在没有使用 NSOperationQueue、在主线程中单独使用 NSBlockOperation 执行一个操作的情况下，操作是在当前线程执行的，并没有开启新线程。

注意：和上边 NSInvocationOperation 使用一样。因为代码是在主线程中调用的，所以打印结果为主线程。如果在其他线程中执行操作，则打印结果为其他线程。

但是，NSBlockOperation 还提供了一个方法 addExecutionBlock:，通过 addExecutionBlock: 就可以为 NSBlockOperation 添加额外的操作。这些操作（包括 blockOperationWithBlock 中的操作）可以在不同的线程中同时（并发）执行。只有当所有相关的操作已经完成执行时，才视为完成。

如果添加的操作多的话， blockOperationWithBlock: 中的操作也可能会在其他线程（非当前线程）中执行，这是由系统决定的，并不是说添加到 blockOperationWithBlock: 中的操作一定会在当前线程中执行。（可以使用 addExecutionBlock: 多添加几个操作试试）。

/**
 * 使用子类 NSBlockOperation
 * 调用方法 AddExecutionBlock:
 */
- (void)useBlockOperationAddExecutionBlock {

    // 1.创建 NSBlockOperation 对象
    NSBlockOperation *op = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 2.添加额外的操作
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"5---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"6---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"7---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"8---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

输出结果： image.png

  • 可以看出：使用子类 NSBlockOperation，并调用方法 AddExecutionBlock: 的情况下，blockOperationWithBlock:方法中的操作 和 addExecutionBlock: 中的操作是在不同的线程中异步执行的。而且，这次执行结果中 blockOperationWithBlock:方法中的操作也不是在当前线程（主线程）中执行的。从而印证了 blockOperationWithBlock: 中的操作也可能会在其他线程（非当前线程）中执行。

一般情况下，如果一个 NSBlockOperation 对象封装了多个操作。NSBlockOperation 是否开启新线程，取决于操作的个数。如果添加的操作的个数多，就会自动开启新线程。当然开启的线程数是由系统来决定的。

3.4.1.3 使用自定义继承自 NSOperation 的子类

如果使用子类 NSInvocationOperation、NSBlockOperation 不能满足日常需求，我们可以使用自定义继承自 NSOperation 的子类。可以通过重写 main 或者 start 方法 来定义自己的 NSOperation 对象。重写main方法比较简单，我们不需要管理操作的状态属性 isExecuting 和 isFinished。当 main 执行完返回的时候，这个操作就结束了。

先定义一个继承自 NSOperation 的子类，重写main方法。

// HPOperation.h 文件
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface HPOperation : NSOperation

@end

// HPOperation.m 文件
#import "HPOperation.h"

@implementation HPOperation

- (void)main {
    if (!self.isCancelled) {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2];
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]);
        }
    }
}

@end

然后使用的时候导入头文件HPOperation.h。

/**
 * 使用自定义继承自 NSOperation 的子类
 */
- (void)useCustomOperation {
    // 1.创建 YSCOperation 对象
    HPOperation *op = [[YSCOperation alloc] init];
    // 2.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

输出结果： image.png

  • 可以看出：在没有使用 NSOperationQueue、在主线程单独使用自定义继承自 NSOperation 的子类的情况下，是在主线程执行操作，并没有开启新线程。

下边我们来讲讲 NSOperationQueue 的创建。

3.4.2 创建队列

NSOperationQueue 一共有两种队列：主队列、自定义队列。其中自定义队列同时包含了串行、并发功能。下边是主队列、自定义队列的基本创建方法和特点。

  • 主队列
    • 凡是添加到主队列中的操作，都会放到主线程中执行。
// 主队列获取方法
NSOperationQueue *queue = [NSOperationQueue mainQueue];
  • 自定义队列（非主队列）
    • 添加到这种队列中的操作，就会自动放到子线程中执行。
    • 同时包含了：串行、并发功能。
// 自定义队列创建方法
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

3.4.3 将操作加入到队列中

上边我们说到 NSOperation 需要配合 NSOperationQueue 来实现多线程。

那么我们需要将创建好的操作加入到队列中去。总共有两种方法：

  1. - (void)addOperation:(NSOperation *)op;
    • 需要先创建操作，再将创建好的操作加入到创建好的队列中去。
/**
 * 使用 addOperation: 将操作加入到操作队列中
 */
- (void)addOperationToQueue {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作1
    NSInvocationOperation *op1 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task1) object:nil];

    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作2
    NSInvocationOperation *op2 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task2) object:nil];

    // 使用 NSBlockOperation 创建操作3
    NSBlockOperation *op3 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op3 addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.使用 addOperation: 添加所有操作到队列中
    [queue addOperation:op1]; // [op1 start]
    [queue addOperation:op2]; // [op2 start]
    [queue addOperation:op3]; // [op3 start]
}

输出结果： image.png

  • 可以看出：使用 NSOperation 子类创建操作，并使用 addOperation: 将操作加入到操作队列后能够开启新线程，进行并发执行。

  1. - (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block;

    • 无需先创建操作，在 block 中添加操作，直接将包含操作的 block 加入到队列中。
/**
 * 使用 addOperationWithBlock: 将操作加入到操作队列中
 */

- (void)addOperationWithBlockToQueue {
    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.使用 addOperationWithBlock: 添加操作到队列中
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

输出结果： image.png

  • 可以看出：使用 addOperationWithBlock: 将操作加入到操作队列后能够开启新线程，进行并发执行。

3.5 NSOperationQueue 控制串行执行、并发执行

之前我们说过，NSOperationQueue 创建的自定义队列同时具有串行、并发功能，上边我们演示了并发功能，那么他的串行功能是如何实现的？

这里有个关键属性 maxConcurrentOperationCount ，叫做最大并发操作数。用来控制一个特定队列中可以有多少个操作同时参与并发执行。

注意：这里 maxConcurrentOperationCount 控制的不是并发线程的数量，而是一个队列中同时能并发执行的最大操作数。而且一个操作也并非只能在一个线程中运行。

  • 最大并发操作数：maxConcurrentOperationCount

    • maxConcurrentOperationCount 默认情况下为-1，表示不进行限制，可进行并发执行。
    • maxConcurrentOperationCount 为1时，队列为串行队列。只能串行执行。
    • maxConcurrentOperationCount 大于1时，队列为并发队列。操作并发执行，当然这个值不应超过系统限制，即使自己设置一个很大的值，系统也会自动调整为 min{自己设定的值，系统设定的默认最大值}。
/**
 * 设置 MaxConcurrentOperationCount（最大并发操作数）
 */
- (void)setMaxConcurrentOperationCount {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.设置最大并发操作数
    queue.maxConcurrentOperationCount = 1; // 串行队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 2; // 并发队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 8; // 并发队列

    // 3.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

最大并发操作数为1 输出结果： 最大并发操作数为2 输出结果：

  • 可以看出：当最大并发操作数为1时，操作是按顺序串行执行的，并且一个操作完成之后，下一个操作才开始执行。当最大操作并发数为2时，操作是并发执行的，可以同时执行两个操作。而开启线程数量是由系统决定的，不需要我们来管理。

这样看来，是不是比 GCD 还要简单了许多？

3.6 NSOperation 操作依赖

NSOperation、NSOperationQueue 最吸引人的地方是它能添加操作之间的依赖关系。通过操作依赖，我们可以很方便的控制操作之间的执行先后顺序。NSOperation 提供了3个接口供我们管理和查看依赖。

  • - (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
  • - (void)removeDependency:(NSOperation *)op; 移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
  • @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。

当然，我们经常用到的还是添加依赖操作。现在考虑这样的需求，比如说有 A、B 两个操作，其中 A 执行完操作，B 才能执行操作。

如果使用依赖来处理的话，那么就需要让操作 B 依赖于操作 A。具体代码如下：

/**
 * 操作依赖
 * 使用方法：addDependency:
 */
- (void)addDependency {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.添加依赖
    [op2 addDependency:op1]; // 让op2 依赖于 op1，则先执行op1，在执行op2

    // 4.添加操作到队列中
    [queue addOperation:op1];
    [queue addOperation:op2];
}

输出结果：

  • 可以看到：通过添加操作依赖，无论运行几次，其结果都是 op1 先执行，op2 后执行。

3.7 NSOperation 优先级

NSOperation 提供了queuePriority（优先级）属性，queuePriority属性适用于同一操作队列中的操作，不适用于不同操作队列中的操作。默认情况下，所有新创建的操作对象优先级都是NSOperationQueuePriorityNormal。但是我们可以通过setQueuePriority:方法来改变当前操作在同一队列中的执行优先级。

// 优先级的取值
typedef NS_ENUM(NSInteger, NSOperationQueuePriority) {
    NSOperationQueuePriorityVeryLow = -8L,
    NSOperationQueuePriorityLow = -4L,
    NSOperationQueuePriorityNormal = 0,
    NSOperationQueuePriorityHigh = 4,
    NSOperationQueuePriorityVeryHigh = 8
};

上边我们说过：对于添加到队列中的操作，首先进入准备就绪的状态（就绪状态取决于操作之间的依赖关系），然后进入就绪状态的操作的开始执行顺序（非结束执行顺序）由操作之间相对的优先级决定（优先级是操作对象自身的属性）。

那么，什么样的操作才是进入就绪状态的操作呢？

  • 当一个操作的所有依赖都已经完成时，操作对象通常会进入准备就绪状态，等待执行。

举个例子，现在有4个优先级都是 NSOperationQueuePriorityNormal（默认级别）的操作：op1，op2，op3，op4。其中 op3 依赖于 op2，op2 依赖于 op1，即 op3 -> op2 -> op1。现在将这4个操作添加到队列中并发执行。

  • 因为 op1 和 op4 都没有需要依赖的操作，所以在 op1，op4 执行之前，就是处于准备就绪状态的操作。
  • 而 op3 和 op2 都有依赖的操作（op3 依赖于 op2，op2 依赖于 op1），所以 op3 和 op2 都不是准备就绪状态下的操作。

理解了进入就绪状态的操作，那么我们就理解了queuePriority 属性的作用对象。

  • queuePriority 属性决定了进入准备就绪状态下的操作之间的开始执行顺序。并且，优先级不能取代依赖关系。
  • 如果一个队列中既包含高优先级操作，又包含低优先级操作，并且两个操作都已经准备就绪，那么队列先执行高优先级操作。比如上例中，如果 op1 和 op4 是不同优先级的操作，那么就会先执行优先级高的操作。
  • 如果，一个队列中既包含了准备就绪状态的操作，又包含了未准备就绪的操作，未准备就绪的操作优先级比准备就绪的操作优先级高。那么，虽然准备就绪的操作优先级低，也会优先执行。优先级不能取代依赖关系。如果要控制操作间的启动顺序，则必须使用依赖关系。

3.8 NSOperation、NSOperationQueue 线程间的通信

在 iOS 开发过程中，我们一般在主线程里边进行 UI 刷新，例如：点击、滚动、拖拽等事件。我们通常把一些耗时的操作放在其他线程，比如说图片下载、文件上传等耗时操作。而当我们有时候在其他线程完成了耗时操作时，需要回到主线程，那么就用到了线程之间的通讯。

/**
 * 线程间通信
 */
- (void)communication {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc]init];

    // 2.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        // 异步进行耗时操作
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }

        // 回到主线程
        [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
            // 进行一些 UI 刷新等操作
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
                NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
            }
        }];
    }];
}

输出结果：

  • 可以看到：通过线程间的通信，先在其他线程中执行操作，等操作执行完了之后再回到主线程执行主线程的相应操作。

3.9 NSOperation、NSOperationQueue 线程同步和线程安全

  • 线程安全：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作（更改变量），一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

  • 线程同步：可理解为线程 A 和 线程 B 一块配合，A 执行到一定程度时要依靠线程 B 的某个结果，于是停下来，示意 B 运行；B 依言执行，再将结果给 A；A 再继续操作。

举个简单例子就是：两个人在一起聊天。两个人不能同时说话，避免听不清(操作冲突)。等一个人说完(一个线程结束操作)，另一个再说(另一个线程再开始操作)。

下面，我们模拟火车票售卖的方式，实现 NSOperation 线程安全和解决线程同步问题。 场景：总共有50张火车票，有两个售卖火车票的窗口，一个是北京火车票售卖窗口，另一个是上海火车票售卖窗口。两个窗口同时售卖火车票，卖完为止。

3.9.1 NSOperation、NSOperationQueue 非线程安全

先来看看不考虑线程安全的代码：

/**
 * 非线程安全：不使用 NSLock
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    NSLog(@"currentThread---%@",[NSThread currentThread]); // 打印当前线程

    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 1.创建 queue1,queue1 代表北京火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue1 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue1.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 2.创建 queue2,queue2 代表上海火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue2 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue2.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 3.创建卖票操作 op1
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketNotSafe];
    }];

    // 4.创建卖票操作 op2
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketNotSafe];
    }];

    // 5.添加操作，开始卖票
    [queue1 addOperation:op1];
    [queue2 addOperation:op2];
}

/**
 * 售卖火车票(非线程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {

        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            //如果还有票，继续售卖
            self.ticketSurplusCount--;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%d 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        } else {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

输出结果： ......

  • 可以看到：在不考虑线程安全，不使用 NSLock 情况下，得到票数是错乱的，这样显然不符合我们的需求，所以我们需要考虑线程安全问题。

3.9.2 NSOperation、NSOperationQueue 非线程安全

线程安全解决方案：可以给线程加锁，在一个线程执行该操作的时候，不允许其他线程进行操作。iOS 实现线程加锁有很多种方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各种方式。这里我们使用 NSLock 对象来解决线程同步问题。NSLock 对象可以通过进入锁时调用 lock 方法，解锁时调用 unlock 方法来保证线程安全。

考虑线程安全的代码：

/**
 * 线程安全：使用 NSLock 加锁
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
 */

- (void)initTicketStatusSave {
    NSLog(@"currentThread---%@",[NSThread currentThread]); // 打印当前线程

    self.ticketSurplusCount = 50;

    self.lock = [[NSLock alloc] init];  // 初始化 NSLock 对象

    // 1.创建 queue1,queue1 代表北京火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue1 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue1.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 2.创建 queue2,queue2 代表上海火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue2 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue2.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 3.创建卖票操作 op1
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketSafe];
    }];

    // 4.创建卖票操作 op2
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketSafe];
    }];

    // 5.添加操作，开始卖票
    [queue1 addOperation:op1];
    [queue2 addOperation:op2];
}

/**
 * 售卖火车票(线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {

        // 加锁
        [self.lock lock];

        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            //如果还有票，继续售卖
            self.ticketSurplusCount--;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%d 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        }

        // 解锁
        [self.lock unlock];

        if (self.ticketSurplusCount <= 0) {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

输出结果： ......

  • 可以看出：在考虑了线程安全，使用 NSLock 加锁、解锁机制的情况下，得到的票数是正确的，没有出现混乱的情况。我们也就解决了多个线程同步的问题。

3.10 NSOperation、NSOperationQueue 常用属性和方法归纳

3.10.1 NSOperation 常用属性和方法

  1. 取消操作方法

    • - (void)cancel; 可取消操作，实质是标记 isCancelled 状态。

  2. 判断操作状态方法

    • - (BOOL)isFinished; 判断操作是否已经结束。
    • - (BOOL)isCancelled; 判断操作是否已经标记为取消。
    • - (BOOL)isExecuting; 判断操作是否正在在运行。
    • - (BOOL)isReady; 判断操作是否处于准备就绪状态，这个值和操作的依赖关系相关。

  3. 操作同步

    • - (void)waitUntilFinished; 阻塞当前线程，直到该操作结束。可用于线程执行顺序的同步。
    • - (void)setCompletionBlock:(void (^)(void))block; completionBlock 会在当前操作执行完毕时执行 completionBlock。
    • - (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
    • - (void)removeDependency:(NSOperation *)op; 移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
    • @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。

3.10.2 NSOperationQueue 常用属性和方法

  1. 取消/暂停/恢复操作

    • - (void)cancelAllOperations; 可以取消队列的所有操作。
    • - (BOOL)isSuspended; 判断队列是否处于暂停状态。 YES 为暂停状态，NO 为恢复状态。
    • - (void)setSuspended:(BOOL)b; 可设置操作的暂停和恢复，YES 代表暂停队列，NO 代表恢复队列。

  2. 操作同步

    • - (void)waitUntilAllOperationsAreFinished; 阻塞当前线程，直到队列中的操作全部执行完毕。

  3. 添加/获取操作

    • - (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block; 向队列中添加一个 NSBlockOperation 类型操作对象。
    • - (void)addOperations:(NSArray *)ops waitUntilFinished:(BOOL)wait; 向队列中添加操作数组，wait 标志是否阻塞当前线程直到所有操作结束
    • - (NSArray *)operations; 当前在队列中的操作数组（某个操作执行结束后会自动从这个数组清除）。
    • - (NSUInteger)operationCount; 当前队列中的操作数。

  4. 获取队列

    • + (id)currentQueue; 获取当前队列，如果当前线程不是在 NSOperationQueue 上运行则返回 nil。
    • + (id)mainQueue; 获取主队列。

注意：

  1. 这里的暂停和取消（包括操作的取消和队列的取消）并不代表可以将当前的操作立即取消，而是当当前的操作执行完毕之后不再执行新的操作。
  2. 暂停和取消的区别就在于：暂停操作之后还可以恢复操作，继续向下执行；而取消操作之后，所有的操作就清空了，无法再接着执行剩下的操作。

参考资料：

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