了解iOS的后台任务执行的各种方式

向辉_
7,406 阅读10分钟

本文主要内容来自WWDC 2019: Advances in App Background Execution

Apple 中很多后台执行都是用户从前台进入后台之后，依然保持了一段时间的活跃，最常见的比如使用UIApplication.shared.beginBackgroundTask() 来申请更长的代码执行时间，同时不同的线程后台申请执行任务的时间也不同，这一点在我的另一篇文章中亦有深入的探索。

在iOS 13.0之后，Apple出了新的框架 BackgroundTasks ，这个和前者是有很大的不同的，那就是它并不会从前台到后台之后立马执行，而是会规划后台任务执行的时间，系统自动选择合适的时间来执行该任务，比如手机充电或者闲置的时候。

它一共提供了两个Task来执行，分别是 BGProcessingTask 和 BGAppRefreshTask 。

纵观iOS的后台任务的机制，基本可以分为两类，一类是立即执行的后台任务，比如从前台到后台申请后台执行时间完成前台任务、收到后台推送处理内容等等，这一类是立即执行后台任务的类型，还有一类就是延时执行的后台任务，由系统选择合适的时间来执行任务。

立即执行的后台任务

App如何进入立即执行后台任务的状态呢？也就是立即进入 Background 状态，一般是两种方式：

  • App请求：App想完成某些任务比如下载等等，所以向系统申请后台执行时间
  • 事件触发：App需要执行后台任务来响应某些事件，比如消息推送等等

下面以Message App为例，它涉及到诸多场景都是这种立即执行后台任务的情况。

Send Messages

当服务器响应很慢的时候，用户可能发送了消息之后就将手机锁屏了，这种情况需要去确保消息在后台状态下也可以成功发送。 这种在后台完成前台的任务还有一些场景，比如保存文件到磁盘中、完成用户请求等等。

这种在前台进入后台后需要额外的时间来执行任务的场景需要使用 beginBackgroundTask(expirationHandler:) 方法，如果app是在Extension中运行的话，那就需要使用 ProcessInfo.performExpiringActivity(withReason:using:) 方法，代码实例如下：

func send(_ message: Message) {
    let sendOperation = SendOperation(message: message)
    var identifier: UIBackgroundTaskIdentifier!
    
    identifier = UIApplication.shared.beginBackgroundTask(expirationHandler: {
        sendOperation.cancel()
        postUserNotification("Message not sent, please resend")
     // Background task will be ended in the operation's completion block below
     })
    
    sendOperation.completionBlock = {
        UIApplication.shared.endBackgroundTask(identifier)
    }
    operationQueue.addOperation(sendOperation)
}

注意 beginBackgroundTask 和 endBackgroundTask 需要成对使用。也有可能在系统分配到时间内依然无法完成改任务，那么这个时候就会执行 expirationHandler ，在这里将做失败处理，在样例代码中发送了一条本地通知，提醒用户消息并未成功发送！

Phone Calls

当有人给你打电话的时候需要向用户呈现来电提醒，这个场景使用了 VoIP push notifications

这个API，这是一种特殊的推送可以启动App，来让用户接听电话，需要在PK推送注册中注册VoIP类型:

func registerForVoIPPushs() {
	self.voipRegistry = PKPushRegistry(queue: nil)
	self.voipRegistry.delegate = self
	self.voipRegistry.desiredPushTypes = [.voIP]
}

但是在2019年有一个新的改进，那就是在 didReceiveIncomingPush 回调中必须使用 CallKit 框架来报告来电，**不然系统将停止杀死App。**如果一直无法处理该通知，那么系统可能在接收到 VoIP 推送之后再也不会启动App了。那么新的改变如下：

let provider = CXProvider(configuration: providerConfiguration)

func pushRegistry(_ registry: PKPushRegistry, didReceiveIncomingPushWith payload: PKPushPayload, for type: PKPushType, completion: @escaping () -> Void) {
    if type == .voIP {
        if let handle = payload.dictionaryPayload["handle"] as? String {
            let callUpdate = CXCallUpdate()
            callUpdate.remoteHandle = CXHandle(type: .phoneNumber,
                                               value: handle)
            
            let callUUID = UUID()
            provider.reportNewIncomingCall(with: callUUID,
                                           update: callUpdate) { _ in
                completion()
            }
            establishConnection(for: callUUID)
        }
    }
}

有几点需要注意的细节：

  • 推送中带有足够的来电人的信息，可以用来展示UI界面。
  • 将 apns-expiration 推送设置为0或者很小的值，这样来电之后的通知也会是相关通话的通知，而不是几分钟甚至更久之后，来电结束了才收到通知。
  • 使用标准推送（standard push），不用全屏推送，无需在呼叫UI中全屏展现通知。
  • 还可以使用 Notification Service Extension 来修改内容。

Muted Threads (静音群组)

像微信一样，有多个联系人，以及群聊的时候，有时用户不想让某些群聊的消息有提醒，但是进入App中之后又想要立即查看信息，只是不想每次都震动设备并收到通知。为了达到这一点，我们需要 Background Pushes 后台推送机制。这个机制可以告诉设备有新数据可用而无需提醒用户。

这就需要设置推送 content-available: 1， 而不是 alert, sound, 或者 badge ，从而实现静默推送的目的，系统收到通知之后会选择一个合适的时间来启动app来下载相关内容，时间线如下：

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同时后台推送功能增加了一些新的机制：

  • apns-priority = 5 ，必须优先级设置为5，不然系统无法后台启动app。
  • 比如设置 apns-push-type = background ，这对 watchOS 是必须的，但是Apple建议所有平台对于后台静默推送都采用这种方式。

Download Past Attachments(下载之前的附件)

如果用户在一台新的设备上登录了它的账户，需要立即下载回话列表以及最近的消息记录，但是对玉一些很老的内容，如果可以在设备充电或者闲置时下载的话，何必在前台下载呢？所以这就需要推迟后台执行下载的时间，实现方式是 Discretionary Background URL Session 。

let config = URLSessionConfiguration.background(withIdentifier: "com.app.attachments")
let session = URLSession(configuration: config, delegate: ..., delegateQueue: ...)

// 设置系统自主性：依据性能来决定开始时间
config.discretionary = true

// 设置时间间隔
config.timeoutIntervalForResource = 24 * 60 * 60
config.timeoutIntervalForRequest = 60

// 创建请求
var request = URLRequest(url: url)
request.addValue("...", forHTTPHeaderField: "...")
let task = session.downloadTask(with: request)

// 设置请求安排的最早时间，这里是两小时后
task.earliestBeginDate = Date(timeIntervalSinceNow: 2 * 60 * 60)

// 设置预计的工作量
task.countOfBytesClientExpectsToSend = 160
task.countOfBytesClientExpectsToReceive = 4096
task.resume()

延时的后台任务

以上都是一些立即执行的后台任务，接下来要介绍的不是马上就执行的后台任务，而是延迟执行的后台任务，会在设备闲置或者充电的时候统一来进行任务的处理：

%E6%88%AA%E5%B1%8F2023-03-23_23.23.25.png

Background Processing Task的特点

注意，这里是的数据来自Apple的WWDC视频，所以应该要相信它的准确性。

  • 系统会在合适的时候分配几分钟的运行时间

    • 执行可推迟的可维护性工作：同步数据、备份、本地数据库清理等等
    • Core ML的训练等等

  • 对于计算密集型的操作，可以关掉 CPU 的监控使后台任务充分利用硬件性能

    其实这就是为了后台进行模型训练来特意整出来的！！！

  • 在前台申请过，那么在后台就可以执行

在使用 BGProcessingTaskRequest 时有几个属性需要注意：

  • requiresNetworkConnectivity

    如果在执行后台任务的时候需要使用网络，而不仅仅是本地的操作，那属性就要设置为 true 。

  • requiresExternalPower

    后台任务执行计算密集型的操作的时候，想要取消 CPU 的监控，可以设置改属性为 true 来实现这一点。

Background App Refresh Task的特点

新的API，后台刷新任务。

  • 该任务提供30秒的运行时间

  • 用于获取新内容使App保持最新的数据状态

  • 后台刷新任务执行的时机取决于用户使用App的方式

    如果用户在早中晚使用App，那么它可以在使用之前启动该App的后台任务来获取最新数据。

%E6%88%AA%E5%B1%8F2023-03-23_18.39.41.png

使用频率不高的情况：会在启动之前，调用后台刷新任务

还有一点要注意的是使用新的API之后，不要使用旧的API了，旧的API已经被废弃了：

UIApplication.setMinimumBackgroundFetchInterval(_:)
UIApplicationDelegate.application(_:performFetchWithCompletionHandler:)

使用BackgroundTasks的原理

%E6%88%AA%E5%B1%8F2023-03-23_19.22.14.png

App以及它的Extension都可以创建 BGTask ，并将其提交给 BGTaskScheduler ，它是一个全局的管理后台任务的进程，它会在合适的时候选择执行相应的Task，唤醒App并在后台启动它执行对应的任务，完成任务之后，需要调用 setTaskCompleted 方法，将任务标记为完成并挂起App。

同时Extension提交的任务只会唤醒主App，也就是说 BackgroundTask 永远由主App来执行。 系统也可能选择后台启动App来同时执行多个任务，但是系统只会按照每次启动来分配一定的时间来同时执行任务，并不会按照任务来单独分配时间。

使用Background Task的流程

这个在Apple的文档中讲述的非常得清楚：****Using background tasks to update your app。**主要是有几个重点的步骤：

  1. 在项目的 capabilities 中开启想要的后台任务： BGAppRefreshTask 以及 BGProcessingTask

Untitled.png

  1. 在Target的Info中添加[BGTaskSchedulerPermittedIdentifiers](https://developer.apple.com/documentation/bundleresources/information_property_list/bgtaskschedulerpermittedidentifiers) 中相应的identifier字符串来标识task，后续需要在代码中注册

Untitled 1.png

  1. 使用设置好的Identifier注册BGTaskScheduler
func application(_ application: UIApplication, didFinishLaunchingWithOptions launchOptions: [UIApplication.LaunchOptionsKey: Any]?) -> Bool {
    let feedVC = (window?.rootViewController as? UINavigationController)?.viewControllers.first as? FeedTableViewController
    feedVC?.server = server
    
    PersistentContainer.shared.loadInitialData()
    
    // MARK: Registering Launch Handlers for Tasks
    BGTaskScheduler.shared.register(forTaskWithIdentifier: "com.example.apple-samplecode.ColorFeed.refresh", using: nil) { task in
        // Downcast the parameter to an app refresh task as this identifier is used for a refresh request.
        self.handleAppRefresh(task: task as! BGAppRefreshTask)
    }

    BGTaskScheduler.shared.register(forTaskWithIdentifier: "com.example.apple-samplecode.ColorFeed.db_cleaning", using: nil) { task in
        // Downcast the parameter to a processing task as this identifier is used for a processing request.
        self.handleDatabaseCleaning(task: task as! BGProcessingTask)
    }

    return true
}
  1. 在合适的时机提交相应的Request
func applicationDidEnterBackground(_ application: UIApplication) {
    scheduleAppRefresh()
}

// MARK: - Scheduling Tasks

func scheduleAppRefresh() {
    let request = BGAppRefreshTaskRequest(identifier: "com.example.apple-samplecode.ColorFeed.refresh")
    request.earliestBeginDate = Date(timeIntervalSinceNow: 15 * 60) // Fetch no earlier than 15 minutes from now
    
    do {
        try BGTaskScheduler.shared.submit(request)
    } catch {
        print("Could not schedule app refresh: \(error)")
    }
}

另外还有一些额外需要注意的点：

  • 不要设置 earliestBeginDate 太远，最好在一周之内

  • 确保在设备被锁住的时候，依然可以访问文件

    FileProectionType.completeUntilFirstUserAuthentication

  • UIScene apps较为特殊，需要用到UIApplication.requestSceneSessionRefresh(_:) API

  • BGTaskScheduler.submit 为了使用的简洁是设置为一个阻塞的同步调用，所以如果要在启动的时候提交，那么应该在 background queue 中使用, 而非 main queue。

总结：后台任务如何选择？

既然上面已经描述了这么多的后台任务，那么究竟该如何选择呢？以及是几种常见的场景下的选择，具体Case来自Apple的官方文档：Choosing Background Strategies for Your App。

1、在后台继续前台任务

使用[beginBackgroundTask(withName:expirationHandler:)] 申请时间继续执行前台的任务。

2、延迟执行计算密集型工作

使用 [BGProcessingTask] ，由系统来决定最佳的任务执行时间点。

3、更新App中的内容

如果App是周期性的从服务器拉取数据，那就可以使用 [BGAppRefreshTask] ，由系统选择最佳的任务执行时间点，并且这种方式可以提供最多30秒的后台执行时间。

4、使用后台推送唤醒App

使用后台推送在后台静默唤醒App，不涉及 alert、sound 以及 badge。这个上述已经介绍过了，就不赘述了。

5、使用后台推送通知用户

如果app需要在后台执行任务，并且还要向用户展示通知，那么可以使用 Notification Serverce Extension 。在收到推送通知之后，这个 service extension 会被唤醒，并且通过 [didReceive(_:withContentHandler:)] 来申请后台执行时间。

当 extension 完成任务之后，它必须调用 content handler 闭包来处理给用户的内容。extension 的执行时间也是有限的。

问题：App想长时间在后台运行怎么办？

在Apple官方文档中Preparing your UI to run in the background中总结了App在进入后台之后还可以执行任务的几种情况：

  • Audio communication using AirPlay, or Picture in Picture video.
  • Location-sensitive services for users.
  • Voice over IP.
  • Communication with an external accessory.
  • Communication with Bluetooth LE accessories, or conversion of the device into a Bluetooth LE accessory.
  • Regular updates from a server.
  • Support for Apple Push Notification service (APNs).

而如果想一直在后台运行，那就需要持续的在后台执行任务，占据系统资源，一般来说有以下三种情况：

  • 播放音频或者视频
  • 后台持续定位
  • 连接Bluetooth LE accessories

要注意的是，这三种情况都需要在开发的时候设置 Background Modes。

引用

[1] Apple 文档 Preparing your UI to run in the background

[2] Apple 文档 Choosing Background Strategies for Your App

[3] Apple 文档 Using background tasks to update your app

[4] WWDC 2019: Advances in App Background Execution

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