在Swift中应用Grand Central Dispatch(下）

本文由loveltyoic（博客）翻译自raywenderlich，原文：Grand Central Dispatch Tutorial for Swift: Part 1/2

欢迎来到本GCD教程的第二同时也是最终部分！

在第一部分中，你学到了并发，线程以及GCD的工作原理。通过使用dispatch_barrrier和dispatch_sync，你做到了让PhotoManager单例在读写照片时是线程安全的。除此之外，你用到dispatch_after来提示用户，优化了用户体验。还有，使用dispatch_async异步执行CPU密集型任务，从而为视图控制器初始化过程减负。

如果你跟着教程做，现在可以从第一部分的示例工程继续。如果你没有完成第一部分或不想再用你的工程，可以下载第一部分的完成文件。

是时候进一步探索GCD了！

纠正过早出现的弹窗

你可能注意到，当你通过 Le Internet 选项添加照片时，会有提示框在图片下载完成之前就弹出，如下图：

错误在于 PhotoManager 里的 downloadPhotosWithCompletion：

这里在方法的最后调用completion闭包——你会想当然的认为所有图片都下载完了。但不幸的是，在此时无法保证。

DownloadPhoto类的实例方法从一个URL下载图片并且不等下载完成就立即退出。换言之，downloadPhotosWithCompletion在最后调用completion闭包，就好像其中的所有方法都在顺序执行，并且在每个方法完成后才执行下一个。

然而，DownloadPhoto(url:)是异步并且立即返回的——所以目前的方式不能正常工作。

downloadPhotosWithCompletion应该在所有图片下载任务都完成后再调用自己的completion闭包。问题是：你怎么监视并发的异步事件呢？你不知道它们何时完成，以何种顺序。

也许你可以用多个Bool值来追踪下载情况，但那不容易扩展。而且坦白讲，那是很丑陋的代码。

幸运的是，dispatch groups就是专为监视多个异步任务的完成情况而设计的。

调度组（Dispatch Groups）

调度组在一组任务都完成后会发出通知。这些任务可以是异步或同步的，甚至可以分布在不同的队列。调度组还可以通过同步或异步的方式来通知。因为任务在不同的队列中，disptch_group_t实例用来追踪队列中的不同任务。

在组内所有事件都完成时，GCD API提供了两种方式发送通知。

第一种是dispatch_group_wait，它会阻塞当前进程，直到所有任务都完成或是等待超时。这正是我们的例子中需要的方式。

打开 PhotoManager.swift ，替换downloadPhotosWithCompletion：

逐一来看注释：

• 因为使用dispatch_group_wait阻塞了当前进程，要用dispatch_async将整个方法放到后台队列，才能保证主线程不被阻塞。
• 创建一个调度组，作用好比未完成任务的计数器。
• dispatch_group_enter通知调度组一个任务已经开始。你必须保证dispatch_group_enter和dispatch_group_leave是成对调用的，否则程序会崩溃。
• 通知任务已经完成。再一次，这里保持进和出相匹配。
• dispatch_group_wait等待所有任务都完成直到超时。如果在任务完成前就超时了，函数会返回一个非零值。可以通过返回值来判断是否等待超时；不过，这里你用DISPATCH_TIME_FOREVER来表示一直等待。这意味着，它会永远等待！没关系，因为图片总是会下载完的。
• 此时，你可以保证所有图片任务都完成或是超时了。接下来在主队列中加入完成闭包。闭包晚些时候会在主线程中执行。
• 执行闭包。

运行app，下载几张图片，留意你的app是如何表现的。

Note：如果网速太快以至于分辨不出何时执行的闭包，你可以修改设备的设置。在 Setting 中的Developer Section 。打开 Network Link Conditioner，选择“Very Bad Network”。

如果在模拟器上，用工具变更网速。这是你武器库中一个很好的工具，它让你清楚在不佳的网络下你的app会发生什么。

这个方案目前不错，但最好能避免阻塞进程。你下一步的工作是重写这个方法来异步通知下载完成。

在学习下一个调度组的用法前，先看看怎样在不同的队列类型下使用调度组。

• 自定义顺序队列：好选择。当一组任务完成时用它发送通知。
• 主队列（顺序）：在当前情景下是不错的选择。但你要谨慎地在主队列中使用，因为同步等待所有任务会阻塞主线程。然而，当一个需要较长时间的任务（比如网络请求）完成时，异步更新UI是很好的选择。
• 并发队列：好选择。用于调度组和通知。

调度组，再来一次

做的不错，但是异步调度到另一个队列然后用 dispatch_group_wait 阻塞还是有一些笨拙。还有另一种方式…

在 PhotoManager.swift 中找到downloadPhotosWithCompletion并替换之：

异步方法是如何工作的：

• 新的实现不需要把方法放进dispatch_async中，因为你并没有阻塞主线程。
• dispatch_group_notify异步执行闭包。当调度组内没有剩余任务的时候闭包才执行。同样要指明在哪个队列中执行闭包。当下，你需要在主队列中执行闭包。

这是更优雅的方法，并且不会阻塞任何进程。

并发过多带来的危险

通过支配这些新工具，你应该将每件事都线程化，对吗？

看看PhotoManager中的downloadPhotosWithCompletion。你会发现通过for循环下载了三张图片。现在来看看能否通过并发执行for循环来提速。

是时候请出dispatch_apply了。

dispatch_apply像for循环一样，只不过它会并发地执行循环过程。这个函数是同步的，所以像普通的for循环一样，dispatch_apply在所有工作都完成后才返回。

要注意循环的最佳次数，如果有太多循环但每个循环内只有很小的工作量，那么额外的开销会抹杀掉并发带来的好处。 步进 (striding)可以帮助到你。它让你在每次循环中做多件工作。

什么时候用dispatch_apply合适？

• 自定义顺序队列：在顺序队列中使用dispatch_apply完全无意义；它的效果和for循环一样。
• 主队列（顺序）：理由同上，用for循环就可以了。
• 并发队列：明智之选，尤其是你需要追踪任务进度时。

替换downloadPhotosWithCompletion如下：

现在你的循环可以并发执行了；调用 dispatch_apply 时，第一个参数是循环的次数，第二个参数是执行任务的队列，第三个参数是闭包。

尽管你的代码在添加图片时是线程安全的，但是图片的顺序取决于线程完成的顺序。

运行app，用 Le Internet 添加一些图片，发现不同了吗？

在真机上运行新的代码会发现 些许 的速度提升。但是这值得吗？

实际上，在这里并不值得这么做。原因如下：

• 你很可能因为并行而花费了比for循环更多的开销。你应该结合合适的步长对 非常大 的集合使用dispatch_apply。
• 开发app的时间有限——不要花时间过早优化。如果你想优化，那么就优化那些值得优化的东西。用Instruments测试app以找到最耗时间的方法。如何使用Instruments。
• 一般说来，代码优化会让你的代码变得更复杂。你要确定带来的好处值得你增加复杂性。

记住，不要痴迷于优化。否则只会让你自己为难，也让看你代码的人抓狂。

取消调度块

iOS 8 和 OS X Yosemite引入了 调度对象块 （dispatch block object）。它们实现起来就像对闭包再包装一层。调度对象块可以做到很多事情，比如为队列中的对象设置QoS等级来决定优先级，但最显著的能力是可以取消块的执行。要明白对象块只有在轮到它执行之前才可以取消（一旦开始执行就不能取消了）。

为了说明这个问题，首先用 Le Internet 下载一些图片，然后取消它们。替换 PhotoManager.swift 中的downloadPhotosWithCompletion：

• 扩展addresses数组，将每个地址复制3份。
• 这个数组用来保存接下来创建的对象块。
• dispatch_block_create创建一个对象块。第一个参数是一个表明了块特征的标志。此处的标志让块从它进入的队列那里继承QoS等级。第二个参数是闭包形式的块定义。
• 块被异步的调度到全局主队列。这里用全局主队列是因为它是一个顺序队列，可以方便我们取消对象块。当前代码已经在主线程中执行着，所以你可以保证下载任务将在此之后才执行（也就是这个downloadPhotosWithCompletion返回后才轮到下载任务执行）。
• 取数组中第三个到结尾的部分。
• arc4random_uniform会随机返回一个0到上界之间（不含上界）的整数。以2为上界会得到0或1，像投硬币一样。
• 如果随机数是1，则取消块。前提是，块还在队列中并且没开始。块在执行的过程中是不可以取消的。
• 因为所有块都加入调度组了，不要忘记移除被取消的那些块。

运行，从 Le Internet 添加图片。你会看到app下载3张图片，以及随机数量的额外图片。那些没下载的图片是因为在加入队列 后 被取消了。这是一个刻意设计的例子，但是很好的演示了怎样使用调度对象块以及如何取消它。

调度对象块能做更多事情，别忘了查看文档。

五花八门的GCD趣用

等等！还有更多！下面展示一些常规用途之外的功能。尽管你不会经常使用这些工具，但他们可能在特定情况下非常有用。

测试异步代码

这听起来很疯狂，但是你知道Xcode拥有测试功能吗？:]我知道，有时我喜欢假装它不存在，但是编写和运行测试对构建复杂的代码很重要。

Xcode中的测试运行在XCTestCase的子类之下，它会运行所有以test开头的方法。测试跑在主线程下，所以你可以认为测试是顺序执行的。

一旦给定的测试方法返回了，XCTest 会认为这个测试完成了而去做下一个测试。这就是说，在下一个测试执行过程中，前一个测试中的异步代码也在继续执行。

网路请求通常是异步的，因为你不想阻塞主线程。一旦测试方法返回，测试也就结束了，因此很难对网络请求做测试。

我们简单看一下两种普遍的测试异步代码的方法：信号量（semaphores）和 期望（expectations）。

信号量

信号量是一个古老学院派的线程概念，它是由谦逊的Edsger W. Dijkstra提出的。信号量是很复杂的话题，因为它建立在错综复杂的操作系统函数之上。

如果你想了解更多信号量的知识，查阅细说信号量原理。如果你是学院派，有一个用到了信号量的经典软件开发问题叫做哲学家进餐问题。

信号量让你控制多个消费者对有限资源的获取。例如，如果你创建一个信号量来控制拥有2个资源的资源池，那么同一时刻最多有两个线程可以进入临界区。其它也想使用资源的线程必须在FIFO队列中等待。

打开 GooglyPuffTests.swift 并替换掉 downloadImageURLWithString：

以上代码中信号量的工作原理： 
1. 创建信号量。参数表明信号量起始值。这个值代表了起始阶段可以获取信号量的线程数目（增加信号量就是发信号，用0做初始值代表当前没有线程可以获取信号量）。 2. 在完成闭包中，你告诉信号量不再需要资源。这会使信号量增加，同时给其他等待资源的任务发信号，通知当前信号量可用。 
3. 等待信号量并设置超时时间。这个调用会阻塞当前进程直到收到信号。非0返回表示等待已超时。在这种情况下，测试失败，因为网络请求不应该超过10秒——相当合理的假设！ 
（译者注：说下我的理解：首先创建了信号量，但此时因为信号量是0，没有线程可以获取它，注释3中对信号量的等待会阻塞。只有在图片下载好了以后，才会发送一个信号量，那么注释3对信号量的获取就成功了，并退出等待。但如果图片下载失败呢？就不会调用注释2这句触发信号的语句，那么注释3就会等待超时，从而测试失败。）

Product/Test 或 cmd+U 运行测试。测试应该成功。

断掉网络连接并再次测试；如果在真机测试，请开启飞行模式。如果在模拟器上，直接断网就好了。测试在10秒后会返回失败的结果。很好，起作用了！

这是相当微不足道的测试，但是如果你和服务端团队一起工作，这些基础测试可以避免一些涉及网络问题的无端指责。

期望（expectations）

XCTest框架提供了另一种使用 期望 来测试异步代码的方法。这种特性让你首先设置你的期望——你希望发生的事——然后再开始异步任务。接下来测试会一直等待，直到异步任务将期望标记为 已完成 。

替换 GooglyPuffTests.swift 中的downloadImageURLWithString：

工作原理： 
1. 用expectationWithDescription生成期望。测试会在日志上显示其中的字符串参数，所以请描述你期望发生的事。 
2. 在异步执行的闭包中调用fulfill来标记期望已达成。 
3. 调用线程用waitForExpectationsWithTimeout等待期望达成。如果等待超时会视为出错。

运行测试。结果和使用信号量没什么不同，但使用XCTest框架是更清晰易读的方案。

调度源（Dispatch Sources）

GCD中存在一个特别有趣的特性叫调度源，它是一个包含底层功能的百宝囊，帮助你响应或监控Unix信号，文件描述符（file descriptors），Mach端口，VFS Nodes，以及其他复杂的东西。所有这些都超出了本教程的范围，但是你可以尝试着使用一下调度源对象。

第一次使用调度源的用户可能会迷失其中，所以你首先要理解dispatch_source_create的工作原理。下面是创建它的函数原型：

第一个参数type: dispatch_source_type_t是最重要的参数，因为它描述了句柄（handle）和掩码（mask）参数。你需要查看Xcode文档来弄清楚dispatch_source_type_t的参数有哪些可选项。

这里你会监视DISPATCH_SOURCE_TYPE_SIGNAL。如文档所述：

调度源监控当前进程的信号。句柄（handle）是信号数字（int）。掩码（mask）没用到（传0）。

Unix信号列表可以从signal.h找到。在顶部有一串#define。在这些信号列表中，你将要监控SIGSTOP信号。这个信号会在进程接收到不可抗拒的挂起指令时被发送。这个信号与你用LLDB debugger调试程序时发送的信号相同。

进入 PhotoCollectionViewController.swift ，在viewDidLoad附近添加下面的代码。你需要为类添加两个私有属性，并在viewDidLoad的开始处添加段代码，在调用superclass和ALAssetLibrary之间：

这段代码有点难懂，因此逐个注释来讲解： 
1. 最好只在DEBUG模式下编译这段代码，因为这可能让不怀好意者洞见很多信息。:] 在 Project Settings –> Build Settings –> Swift Compiler – Custom Flags –> Other Swift Flags –> Debug 下添加 -D DEBUG 。 
2. 用dispatch_once一次性初始化调度源。 
3. 初始化signalSource变量。你指明对信号感兴趣并且提供SIGSTOP做第二个参数。除此之外，你用主队列处理接收到的事件——稍后你会发现为什么。 
4. 如果参数错误，调度源对象不会被创建。因此，你应该在使用它之前确保调度源是有效的。 
5. dispatch_source_set_event_handler注册了一个事件处理闭包，当你接收到监控的信号时会调用这个闭包。 
6. 默认情况下，所有调度源在开始都处于挂起状态。当你想监视事件时，必须让源对象继续执行。

运行app；暂停调试器然后立即恢复。检查控制台（console），你会看到类似下面的信息：

你的app现在可以感知到调试（debugging-aware）了！这真棒，但在现实中怎样用它呢？

你可以用它调试一个对象并在恢复app时展示数据；你也可以自定义一些安全逻辑来保护app，当恶意攻击者在你的程序上附着调试器的时候。

有趣的想法是把这个方法当做堆栈追踪工具，来找到你想要在调试器中修改的对象。

设想一下这样的场景。当你意外地停掉调试器时，你很难处在期望的栈帧上。而现在你可以在任意时刻停止调试器并让代码执行到你期望的位置。这很有用，当你想执行一段从调试器很难达到的代码。试一试！

在viewDidLoad中的NSLog语句处设置断点。暂停调试器，然后再开始；app会命中你刚刚设置的断点。现在你已经深入到PhotoCollectionViewController方法中了。现在你可以随心所欲地使用PhotoCollectionViewController实例了。多么便捷！

注意：如果在调试器中你不知道哪个线程是哪个，来看一下。主线程总是第一个，libdispatch，GCD的协调器是第二个。剩下的线程要看硬件当时在做什么样的工作。

在调试器中，输入：

然后继续执行app。你会看到如下所示：

通过这个方法，你可以更新UI，探查类的属性，甚至执行方法——无需重启app来进入特定的工作流状态。很巧妙。

下一步？

下载最终的工程。

我不想重提，但是你真的应该看一下怎样使用Instruments。如果你想优化app，绝对需要这个。Instruments可以概述程序中哪些代码相对其它代码执行更久。如果你想知道代码实际的执行时间，很可能需要一些自制的解决方案。

同时学习如何在Swift中使用NSOperations和NSOperationQueue，一种基于GCD的并发技术。实际上，这是使用GCD的最佳实践。NSOperations提供更好的控制，处理最多的并发操作，在牺牲一定速度的情况下更加面向对象。

记住，除非你有特别的理由深入底层，你应该始终尝试并坚持使用更高层的API。只在你想学习更多或做一些非常非常“有趣”的事时才进入到Apple的“暗黑艺术”（dark art）中探险。:]

祝你好运，尽情欢乐！