并发编程之Operation Queue

随着移动设备的更新换代，移动设备的性能也不断提高，现在流行的CPU已经进入双核、甚至四核时代。如何充分发挥这些CPU的性能，会变得越来越重要。在iOS中如果想要充分利用多核心CPU的优势，就要采用并发编程，提高CPU的利用率。 iOS中并发编程中主要有2种方式Operation Queue和GCD（Grand Central Dispatch）。下面就来先来说一下Operation Queue。

异步调用和并发

在深入之前，首先说说异步调用和并发。这两个概念在并发编程中很容易弄混淆。异步调用是指调用时无需等待结果返回的调用，异步调用往往会触发后台线程处理，比如NSURLConnection的异步网络回调。并发是指多个任务（线程）同时执行。在异步调用的实现中往往采用并发机制，然而并不是所有异步都是并发机制，也有可能是其他机制，比如一些依靠中断进行的操作。

为什么Operation Queue

Operation Queue提供一个面向对象的并发编程接口，支持并发数，线程优先级，任务优先级，任务依赖关系等多种配置，可以方便满足各种复杂的多任务处理场景。

面向对象接口
支持并发数配置
任务优先级调度
任务依赖关系
线程优先级配置

NSOperation简介

iOS并发编程中，把每个并发任务定义为一个Operation，对应的类名是NSOperation。NSOperation是一个抽象类，无法直接使用，它只定义了Operation的一些基本方法。我们需要创建一个继承于它的子类或者使用系统预定义的子类。目前系统预定义了两个子类：NSInvocationOperation和NSBlockOperation。

NSInvocationOperation

NSInvoationOperation是一个基于对象和selector的Operation，使用这个你只需要指定对象以及任务的selector，如果必要，你还可以设定传递的对象参数。

NSInvocationOperation *invacationOperation = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(doSomethingWithObj:) object:obj];

同时当这个Operation完成后，你还可以获取Operation中Invation执行后返回的结果对象。

id result = [invacationOperation result];

NSBlockOperation

在一个Block中执行一个任务，这时我们就需要用到NSBlockOperation。可以通过blockOperationWithBlock:方法来方便地创建一个NSBlockOperation：

NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    //Do something here.
}];

运行一个Operation

调用Operation的start方法就可以直接运行一个Operation。

[operation start];

start方法用来启动一个Operation任务。同时，Operation提供一个main方法，你的所有任务都应该在main中进行处理。默认的start方法中会先做出一些异常判断然后直接调用main方法。如果需要自定义一个NSOperation必须重载main方法来执行你所想要执行的任务。

@implementation CustomOperation

-(void)main {
   @try {
      // Do some work.
   }
   @catch(...) {
      // Exception handle.
   }
}
@end

取消一个Operation

要取消一个Operation，要向Operation对象发送cancel消息：

[operation cancel];

当向一个Operation对象发送cancel消息后，并不保证这个Operation对象一定能立刻取消，这取决于你的main中对cancel的处理。如果你在main方法中没有对cancel进行任何处理的话，发送cancel消息是没有任何效果的。为了让Operation响应cancel消息，那么你就要在main方法中一些适当的地方手动的判断isCancelled属性，如果返回YES的话，应释放相关资源并立刻停止继续执行。

创建可并发的Operation

由于默认情况下Operation的start方法中直接调用了main方法，而main方法中会有比较耗时的处理任务。如果我们在一段代码连续start了多个Operation，这些Operation都是阻塞地依次执行完，因为第二个Operation必须等到第一个Operation执行完start内的main并返回。Operation默认都是不可并发的（使用了Operation Queue情况下除外，Operation Queue会独自管理自己的线程），因为默认情况下Operation并不额外创建线程。我们可以通过Operation的isConcurrent方法来判断Operation是否是可并发的。如果要让Operation可并发，我们需要让main在独立的线程中执行，并将isConcurrent返回YES。

@implementation MyOperation{
    BOOL        executing;
    BOOL        finished;
}


- (BOOL)isConcurrent {
    return YES;
}

- (void)start {
   if ([self isCancelled])
   {
      [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
      finished = YES;
      [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];
      return;
   }

   [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];
   [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(main) toTarget:self withObject:nil];
   executing = YES;
   [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
}

- (void)main {
   @try {
        // Do some work.

        [self willChangeValueForKey:@"isFinished"];
        [self willChangeValueForKey:@"isExecuting"];
        executing = NO;
        finished = YES;
        [self didChangeValueForKey:@"isExecuting"];
        [self didChangeValueForKey:@"isFinished"];

   }
   @catch(...) {
      // Exception handle.
   }
}

@end

当你自定义了start或main方法时，一定要手动的调用一些KVO通知方法，以便让对象的KVO机制可以正常运作。

设置Operation的completionBlock

每个Operation都可以设置一个completionBlock，在Operation执行完成时自动执行这个Block。我们可以在此进行一些完成的处理。completionBlock实现原理是对Operation的isFinnshed字段进行KVO（Key-Value Observing），当监听到isFinnished变成YES时，就执行completionBlock。

operation.completionBlock = ^{
    NSLog(@"finished");
};

设置Operation的线程优先级

我们可以为Operation设置一个线程优先级，即threadPriority。那么执行main的时候，线程优先级就会调整到所设置的线程优先级。这个默认值是0.5，我们可以在Operation执行前修改它。

operation.threadPriority = 0.1;

注意：如果你重载的start方法，那么你需要自己来配置main执行时的线程优先级和threadPriority字段保持一致。

Operation状态变化

我们可以通过KVO机制来监听Operation的一下状态改变，比如一个Operation的执行状态或完成状态。这些状态的keypath包括以下几个：

isCancelled
isConcurrent
isExecuting
isFinished
isReady
dependencies
queuePriority
completionBlock

NSOperationQueue

NSOperationQueue是一个Operation执行队列，你可以将任何你想要执行的Operation添加到Operation Queue中，以在队列中执行。同时Operation和Operation Queue提供了很多可配置选项。Operation Queue的实现中，创建了一个或多个可管理的线程，为队列中的Operation提供可高度自定的执行环境。

Operation的依赖关系

有时候我们对任务的执行顺序有要求，一个任务必须在另一个任务执行之前完成，这就需要用到Operation的依赖（Dependency）属性。我们可以为每个Operation设定一些依赖的另外一些Operation，那么如果依赖的Operation没有全部执行完毕，这个 Operation就不会被执行。

[operation addDependency:anotherOperation];
[operation removeDependency:anotherOperation];

如果将这些Operation和它所依赖的Operation加如队列中，那么Operation只有在它依赖的Operation都执行完毕后才可以被执行。这样我们就可以方便的控制Operation执行顺序。

Operation在队列中执行的优先级

Operation在队列中默认是按FIFO（First In First Out）顺序执行的。同时我们可以为单个的Operation设置一个执行的优先级，打乱这个顺序。当Queue有空闲资源执行新的Operation 时，会优先执行当前队列中优先级最高的待执行Operation。

最大并发Operation数目

在一个Operation Queue中是可以同时执行多个Operation的，Operation Queue会动态的创建多个线程来完成相应Operation。具体的线程数是由Operation Queue来优化配置的，这一般取决与系统CPU的性能，比如CPU的核心数，和CPU的负载。但我们还是可以设置一个最大并发数的，那么 Operation Queue就不会创建超过最大并发数量的线程。

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
queue.maxConcurrentOperationCount = 1;

如果我们将maxConcurrentOperationCount设置为1，那么在队列中每次只能执行一个任务。这就是一个串行的执行队列了。

Simple Code

下面我写了一个简单的Simple Code来说明一下Operation和Operation Queue。

NSBlockOperation *operation5s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    NSLog(@"operation5s begin");
    sleep(5);
    NSLog(@"operation5s end");
}];
operation5s.queuePriority = NSOperationQueuePriorityHigh;
NSBlockOperation *operation1s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    NSLog(@"operation1s begin");
    sleep(1);
    NSLog(@"operation1s end");
}];
NSBlockOperation *operation2s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
    NSLog(@"operation2s begin");
    sleep(2);
    NSLog(@"operation2s end");
}];

operation1s.completionBlock = ^{
    NSLog(@"operation1s finished in completionBlock");
};

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
queue.maxConcurrentOperationCount = 1;
[queue addOperation:operation1s];
[queue addOperation:operation2s];
[queue addOperation:operation5s];
[queue waitUntilAllOperationsAreFinished];

运行这段代码，我得到了一下输出结果：

operation1s begin
operation1s end
operation5s begin
operation1s finished in completionBlock
operation5s end
operation2s begin
operation2s end

为了更好的展示队列优先级效果，我把queue的maxConcurrentOperationCount设置为1，以便任务一个一个的执行。从上面日志可以看出，第一个operation1s执行完毕后，会执行operation5s，而不是operation2s，因为operation5s的queuePriority是NSOperationQueuePriorityHigh。而第一个线程总是会第一个执行。在看看2-4行，我们可以看出operation1s的completionBlock比operation5s晚开始执行，说明它不在operation1s的线程中执行的。正如前面所说，completionBlock是通过KVO监听执行，一般会运行在监听所在线程，而不是Operation执行的线程。

注意事项

当一个Operation被加入Queue中后，请不要对这个Operation再进行任何修改。因为一旦加入Queue，它随时就有可能会被执行，对它的任何修改都有可能导致它的运行状态不可控制。
threadPriority仅仅影响了main执行时的线程优先级，其他的方法包括completionBlock都是以默认的优先级来执行的。如果自定义的话，也要注意在main执行前设置好threadPriority，执行完毕后要还原默认线程优先级。
经测试，Operation的threadPriority字段只有在Operation单独执行时有效，在Operation Queue中是无效的。
第一个加入到Operation Queue中的Operation，无论它的优先级有多么低，总是会第一个执行。