20-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析3:线程调度组dispatch_group、事件源dispatch Source】

没有故事的Zhang同学
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前言

之前,我们在探索动画及渲染相关原理的时候,我们输出了几篇文章,解答了iOS动画是如何渲染,特效是如何工作的疑惑。我们深感系统设计者在创作这些系统框架的时候,是如此脑洞大开,也 深深意识到了解一门技术的底层原理对于从事该方面工作的重要性。

因此我们决定 进一步探究iOS底层原理的任务。继上一篇文章对GCD的 探索iOS底层原理: 栅栏函数dispatch_barrier_async、dispatch_barrier_sync、信号量dispatch_semaphore探索之后,本篇文章将继续对GCD多线程底层原理的探索

一、线程调度组dispatch_group

1.1 调度组介绍

调度组最直接的作用就是控制任务的执行顺序

  • dispatch_group_create ：创建调度组
  • dispatch_group_async ：进组的任务 执行
  • dispatch_group_notify ：进组任务执行完毕的通知
  • dispatch_group_wait ： 进组任务执行等待时间
  • dispatch_group_enter ：任务进组
  • dispatch_group leave ：任务出组

1.2 调度组举例

下面举个调度组的应用举例

给图片添加水印，有两张水印照片需要网络请求，水印照片请求，完成之后，再添加到本地图片上面显示！

//创建调度组
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
// 水印 1
dispatch_group_async(group , queue, ^{
        NSString *logoStr1 = @"https://thirdqq.qlogo.cn/g?b=sdk&k=zeIp1PmCE6jff6BGSbjicKQ&s=140&t=1556562300";
        NSData *data1 = [NSData dataWithContentsOfURL:[NSURL URLWithString:logoStr1]];
        UIImage *image1 = [UIImage imageWithData:data1];
        [self.mArray addObject:image1];
});
// 水印 1
dispatch_group_async(group , queue, ^{
        NSString *logoStr2 = @"https://thirdwx.qlogo.cn/mmopen/vi_32/Q0j4TwGTfTJKuHEuLLyYK0Rbw9s9G8jpcnMzQCNsuYJRIRjCvltH6NibibtP73EkxXPR9RaWGHvmHT5n69wpKV2w/132";
        NSData *data2 = [NSData dataWithContentsOfURL:[NSURL URLWithString:logoStr2]];
        UIImage *image2 = [UIImage imageWithData:data2];
        [self.mArray addObject:image2];
});
// 水印请求完成
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        UIImage *newImage = nil;
        NSLog(@"请求完毕，添加水印");
        for (int i = 0; i<self.mArray.count; i++) {
                UIImage *waterImage = self.mArray[i];
                newImage =[JP_ImageTool jp_WaterImageWithWaterImage:waterImage backImage:newImage waterImageRect:CGRectMake(20, 100*(i+1), 120, 60)];
        }
        self.imageView.image = newImage;

});
  • 添加水印前

模拟器运行结果—添加水印前

  • 添加水印后

模拟器运行结果—添加水印后 当组内的任务全部执行完成了，dispatch_group_notify会通知，任务已经完成了，内部添加水印的工作可以开始了！

上面的例子还可以使用dispatch_group_enter 和dispatch_group leave 搭配使用，如下：

进组和出组搭配使用

从上面的两个例子代码可以发现，dispatch_group_async 相当于是dispatch_group_enter + dispatch_group leave 的作用！

注意：dispatch_group_enter 和dispatch_group leave 搭配使用，但是顺序不能反，否则会奔溃，如下:

奔溃截图 dispatch_group_enter 和dispatch_group leave 搭配使用，除了顺序不发，个数也得保持一致，人家是出入成双成对，你不能把它们分开，否则也会罢工或者奔溃的！

  • dispatch_group_enter进组不出组情况

进组不出组情况

dispatch_group_enter进组不出组，那么dispatch_group_notify就不会收到任务执行完成的通知，dispatch_group_notify内的任务就执行不了

  • 不进组就出组 dispatch_group leave 情况

不进组就出组

不进组就出组，程序会奔溃，都没有任务进去，你去出去，出个锤子哦！😢

  • dispatch_group_wait等待 举例

dispatch_group_wait举例 dispatch_group_wait有点栅栏的感觉，堵住了组里面前面的任务，但是并没有阻塞主线程。那么再看看下面这个例子

dispatch_group_wait举例

  • 这里使用了dispatch_group_wait进行等待
  • dispatch_group_wait函数会一直等到前面group中的任务执行完，再执行下面代码，但会产生阻塞线程的问题，导致了主线程中的任务5不能正常运行，直到任务组的任务完成才能被调用。

思考：

  1. 那么调度组是如何工作，为什么可以调度任务呢？
  2. dispatch_group_enter进组和dispatch_group_leave出组为什么能够起到与调度组dispatch_group_async一样的效果呢?

现在去看看源码寻找答案！

二、调度组源码分析

2.1 dispatch_group_create

  • dispatch_group_create
dispatch_group_t
dispatch_group_create(void)
{
	return _dispatch_group_create_with_count(0);
}

创建调度组会调用_dispatch_group_create_with_count方法，并默认传入0

  • _dispatch_group_create_with_count
static inline dispatch_group_t
_dispatch_group_create_with_count(uint32_t n)
{
	dispatch_group_t dg = _dispatch_object_alloc(DISPATCH_VTABLE(group),
			sizeof(struct dispatch_group_s));
	dg->do_next = DISPATCH_OBJECT_LISTLESS;
	dg->do_targetq = _dispatch_get_default_queue(false);
	if (n) {
		os_atomic_store2o(dg, dg_bits,
				(uint32_t)-n * DISPATCH_GROUP_VALUE_INTERVAL, relaxed);
		os_atomic_store2o(dg, do_ref_cnt, 1, relaxed); // <rdar://22318411>
	}
	return dg;
}

_dispatch_group_create_with_count方法里面通过os_atomic_store2o来把传入的 n进行保存，这里的写法和信号量很像(如下图)，是模仿的信号量的写法自己写了一个，但并不是调度组底层是使用信号量实现的。

dispatch_semaphore_create

2.2 dispatch_group_enter

  • dispatch_group_enter

dispatch_group_enter 通过os_atomic_sub_orig2o会进行0的减减操作，此时的old_bits等于-1。

2.3 dispatch_group_leave

  • dispatch_group_leave

dispatch_group_leave

这里通过os_atomic_add_orig2o把-1加加操作，old_state就等于0，0 & DISPATCH_GROUP_VALUE_MASK的结果依然等于0，也就是old_value等于0。DISPATCH_GROUP_VALUE_1的定义如下代码： DISPATCH_GROUP_VALUE_1

从代码中可以看出old_value是不等于DISPATCH_GROUP_VALUE_MASK的，所以代码会执行到外面的if中去，并调用_dispatch_group_wake方法进行唤醒，唤醒的就是dispatch_group_notify方法。

也就是说，如果不调用dispatch_group_leave方法，也就不会唤醒dispatch_group_notify，下面的流程也就不会执行了。

2.4 dispatch_group_notify

  • dispatch_group_notify

dispatch_group_notify 在old_state等于0的情况下，才会去唤醒相关的同步或者异步函数的执行，也就是 block里面的执行，就是调用同步、异步的那个callout执行。

  • 在dispatch_group_leave分析中，我们已经得到old_state结果等于0
  • 所以这里也就解释了dispatch_group_enter和dispatch_group_leave为什么要配合起来使用的原因，通过信号量的控制，避免异步的影响，能够及时唤醒并调用dispatch_group_notify方法
  • 在dispatch_group_leave里面也有调用_dispatch_group_wake方法，这是因为异步的执行，任务是执行耗时的，有可能dispatch_group_leave这行代码还没有走，就先走了dispatch_group_notify方法，但这时候dispatch_group_notify方法里面的任务并不会执行，只是把任务添加到 group
  • 它会等dispatch_group_leave执行了被唤醒才执行，这样就保证了异步时，dispatch_group_notify里面的任务不丢弃，可以正常执行。如下图所示：

示意图

  • 当执行任务 2的时候，是耗时任务(sleep(5)模拟耗时)，异步不会堵塞，会执行后面的代码，就是图中①，dispatch_group_notify里面的任务会包装起来，进group
  • 包装完成，异步执行完，这时候就走 ②了，又回到dispatch_group_leave处去执行了，这时候就可以通过 group 拿到任务 4，直接去调用_dispatch_group_wake把任务 4唤醒执行了。
  • 这一波是非常的细节，苹果工程师真是妙啊！

苹果工程师牛逼

2.5 dispatch_group_async

猜想：dispatch_group_async里面应该是封装了dispatch_group_enter和dispatch_group_leave，所以才能起到一样的作业效果！

  • dispatch_group_async

dispatch_group_async

dispatch_continuation_t的处理，也就是任务的包装处理，还做了一些标记处理，最后走_dispatch_continuation_group_async

  • _dispatch_continuation_group_async

_dispatch_continuation_group_async

靓仔！看到没有，和猜想的是一样的，内部果然封装了dispatch_group_enter方法，向组中添加任务时，就调用了dispatch_group_enter方法，将信号量0变成了-1。那么现在去找下dispatch_group_leave的在哪里！继续跟踪流程。。。

  • _dispatch_continuation_async

_dispatch_continuation_async

这一波又是非常的熟悉了，这个dx_push我们都已经非常熟悉了，异步、同步的时候经常见这个方法，这里就不再赘述了（传送门)，会调用:

  • _dispatch_root_queue_push -- >
  • _dispatch_root_queue_push_inline -- >
  • _dispatch_root_queue_poke -- >
  • _dispatch_root_queue_poke_slow -- >
  • _dispatch_root_queues_init -- >
  • _dispatch_root_queues_init_once -- >
  • _dispatch_worker_thread2 -- > _dispatch_root_queue_drain_dispatch_root_queue_drain 然后_dispatch_root_queue_drain -- > _dispatch_continuation_pop_inline -- > _dispatch_continuation_with_group_invoke

_dispatch_continuation_with_group_invoke

在最后_dispatch_continuation_with_group_invoke里面我们找到了出组的方法dispatch_group_leave 在这里完成_dispatch_client_callout函数调用，紧接着调用dispatch_group_leave方法，将信号量由-1变成了0。

至此完成闭环，完整的分析了调度组、进组、出组、通知的底层原理和关系。

三、 Dispatch Source 介绍

3.1 Dispatch Source简介

Dispatch Source 是BSD系统内核惯有功能kqueue的包装，kqueue是在XNU内核中发生事件时在应用程序编程方执行处理的技术。

它的CPU负荷非常小，尽量不占用资源。当事件发生时，Dispatch Source 会在指定的Dispatch Queue中执行事件的处理。

  • dispatch_source_create ：创建源
  • dispatch_source_set_event_handler： 设置源的回调
  • dispatch_source_merge_data： 源事件设置数据
  • dispatch_source_get_data： 获取源事件的数据
  • dispatch_resume：恢复继续
  • dispatch_suspend：挂起

我们在日常开发中，经常会使用计时器NSTimer，例如发送短信的倒计时，或者进度条的更新。但是NSTimer需要加入到NSRunloop中，还受到mode的影响。收到其他事件源的影响，被打断，当滑动scrollView的时候，模式切换，定时器就会停止，从而导致timer的计时不准确。

GCD提供了一个解决方案dispatch_source来出来类似的这种需求场景。

  • 时间较准确，CPU负荷小，占用资源少
  • 可以使用子线程，解决定时器跑在主线程上卡UI问题
  • 可以暂停，继续，不用像NSTimer一样需要重新创建

3.2 Dispatch Source 使用

创建事件源的代码：

// 方法声明
dispatch_source_t dispatch_source_create(
        dispatch_source_type_t type,
        uintptr_t handle,
        unsigned long mask,
        dispatch_queue_t _Nullable queue);

// 实现过程
dispatch_source_t source =  dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_ADD, 0, 0,  dispatch_get_main_queue());

创建的时候，需要传入两个重要的参数：

  • dispatch_source_type_t 要创建的源类型
  • dispatch_queue_t 事件处理的调度队列

3.3 Dispatch Source 种类

  • Dispatch Source 种类:
  1. DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_ADD 变量增加
  2. DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_OR 变量 OR
  3. DISPATCH_SOURCE_TYPE_DATA_REPLACE 新获得的数据值替换现有的
  4. DISPATCH_SOURCE_TYPE_MACH_SEND MACH 端口发送
  5. DISPATCH_SOURCE_TYPE_MACH_RECV MACH 端口接收
  6. DISPATCH_SOURCE_TYPE_MEMORYPRESSURE 内存压力 (注：iOS8后可用)
  7. DISPATCH_SOURCE_TYPE_PROC 检测到与进程相关的事件
  8. DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ 可读取文件映像
  9. DISPATCH_SOURCE_TYPE_SIGNAL 接收信号
  10. DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER 定时器
  11. DISPATCH_SOURCE_TYPE_VNODE 文件系统有变更
  12. DISPATCH_SOURCE_TYPE_WRITE 可写入文件映像

设计一个定时器举例: 创建定时器方法

  • 点击屏幕开始

定时器控制方法 使用dispatch_source的计时器，能够暂停、开始，同时不受主线程影响，不会受 UI事件的影响，所以它的计时是准确的。如下图所示：

运行结果

3.4 使用时注意事项

注意事项

  1. source 需要手动启动

Dispatch Source 使用最多的就是用来实现定时器，source创建后默认是暂停状态，需要手动调用 dispatch_resume启动定会器。 dispatch_after只是封装调用了dispatch source定时器，然后在回调函数中执行定义的block.

  1. 循环引用

因为 dispatch_source_set_event_handle回调是block，在添加到source的链表上时会执行copy并被source强引用，如果block里持有了self，self又持有了source的话，就会引起循环引用。所以正确的方法是使用weak+strong或者提前调dispatch_source_cancel取消timer。

  1. resume、suspend 调用次数保持平衡

dispatch_resume 和 dispatch_suspend 调用次数需要平衡，如果重复调用 dispatch_resume则会崩溃，因为重复调用会让dispatch_resume 代码里if分支不成立，从而执行了 DISPATCH_CLIENT_CRASH(“Over-resume of an object”) 导致崩溃。

  1. source 创建与释放时机

source在suspend状态下，如果直接设置 source = nil 或者重新创建 source 都会造成 crash。正确的方式是在resume状态下调用 dispatch_source_cancel(source)后再重新创建。

四、 Dispatch Source源码分析

那么去底层源码看看，为什么会出现上面的一些问题。

4.1 dispatch_resume

  • dispatch_resume
void
dispatch_resume(dispatch_object_t dou)
{
	DISPATCH_OBJECT_TFB(_dispatch_objc_resume, dou);
	if (unlikely(_dispatch_object_is_global(dou) ||
			_dispatch_object_is_root_or_base_queue(dou))) {
		return;
	}
	if (dx_cluster(dou._do) == _DISPATCH_QUEUE_CLUSTER) {
		_dispatch_lane_resume(dou._dl, DISPATCH_RESUME);
	}
}

dispatch_resume``会去执行_dispatch_lane_resume

  • _dispatch_lane_resume

_dispatch_lane_resume 这里的方法是对事件源的相关状态进行判断，如果过度resume恢复，则会goto走到over_resume流程，直接调起DISPATCH_CLIENT_CRASH崩溃。

这里还有对挂起计数的判断，挂起计数包含所有挂起和非活动位的挂起计数。underflow下溢意味着需要过度恢复或暂停计数转移到边计数，也就是说如果当前计数器还没有到可运行的状态，需要连续恢复。

4.2 dispatch_suspend

  • 挂起dispatch_suspend

dispatch_suspend 在dispatch_suspend的定义里面也可以发现，恢复和挂起一定要保持平衡，挂起的对象不会调用与其关联的任何block。 在与对象关联的任何运行的 block完成后，对象将被挂起。

void
dispatch_suspend(dispatch_object_t dou)
{
	DISPATCH_OBJECT_TFB(_dispatch_objc_suspend, dou);
	if (unlikely(_dispatch_object_is_global(dou) ||
			_dispatch_object_is_root_or_base_queue(dou))) {
		return;
	}
	if (dx_cluster(dou._do) == _DISPATCH_QUEUE_CLUSTER) {
		return _dispatch_lane_suspend(dou._dl);
	}
}
  • _dispatch_lane_suspend

_dispatch_lane_suspend

  • _dispatch_lane_suspend_slow

_dispatch_lane_suspend_slow 同样这里维护一个暂停挂起的计数器，如果连续调用dispatch_suspend挂起方法，减法的无符号下溢可能发生，因为其他线程可能在我们尝试获取锁时触及了该值，或者因为另一个线程争先恐后地执行相同的操作并首先获得锁。

所以不能重复的挂起或者恢复，一定要你一个我一个，你两个我也两个，保持一个balanced。

五、总结

5.1 线程调度组

  • 调度组最直接的作用就是控制任务的执行顺序
  • dispatch_group_notify ：进组任务执行完毕的通知
  • dispatch_group_wait 函数会一直等到前面group中的任务执行完，后面的才可以执行
  • dispatch_group_enter 和dispatch_group leave 成对使用
  • dispatch_group_async 内部封装了dispatch_group_enter 和dispatch_group leave 的使用

5.2 事件源

  • 使用定时器NSTimer需要加入到NSRunloop，导致计数不准确，可以使用Dispatch Source来解决

  • Dispatch Source的使用，要注意恢复和挂起要平衡

  • source在suspend状态下，如果直接设置 source = nil 或者重新创建 source 都会造成 crash。正确的方式是在resume状态下调用 dispatch_source_cancel(source)后再重新创建。

  • 因为 dispatch_source_set_event_handle回调是block，在添加到source的链表上时会执行copy并被source强引用，如果block里持有了self，self又持有了source的话，就会引起循环引用。所以正确的方法是使用weak+strong或者提前调dispatch_source_cancel取消timer。

专题系列文章

1.前知识

2. 基于OC语言探索iOS底层原理

3. 基于Swift语言探索iOS底层原理

关于函数、枚举、可选项、结构体、类、闭包、属性、方法、swift多态原理、String、Array、Dictionary、引用计数、MetaData等Swift基本语法和相关的底层原理文章有如下几篇:

其它底层原理专题

1.底层原理相关专题

2.iOS相关专题

3.webApp相关专题

4.跨平台开发方案相关专题

5.阶段性总结:Native、WebApp、跨平台开发三种方案性能比较

6.Android、HarmonyOS页面渲染专题

7.小程序页面渲染专题

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