iOS 并行编程：NSOperation Queues

1 简介

1.1 功能

Operation Queue也是IOS的一种并行编程技术，类似Dispatch Queue可以帮助用户管理多线程。但是Operation Queue将任务封装在NSOperation对象中，从而可以更好的控制任务的执行。并且Dispatch Queue的先入先出的执行方式不同，Operation Queue任务的执行顺序可以控制。其中IOS是将任务交给NSOperation对象进行管理，其中NSOperation是个抽象类，必须被继承，目前系统预定义了两个子类：NSBlockOperation 和NSInvocationOperation。

其中启动任务，既让NSOperation对象执行任务，有两种方式，一种是调用NSOperation的start方法；一种是将NSOperation对象添加到NSOperationQueue 对象中。

1.2 第一个程序

1) NSBlockOperation

1 int main(int argc, const char * argv[]) {
2     //直接创建NSBlockOperation 对象。
3     NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
4         printf("blockOperation ");
5     }];
6     [blockOperation start];    //启动NSBlockOperation 对象开始执行
7     return 0；
8 }

2) NSInvocationOperation

NSInvocationOperation类只能在类中使用。

1 //  创建一个object-C的类
2 @implementation test_NSInvocationOperation
3 -(id) init
4 {
5     if( self = [super init])
6     {
7         NSInvocationOperation *invacationOperation = [[NSInvocationOperation alloc]                      initWithTarget:self selector:@selector(myTaskMethod:) object:nil];
8         [invacationOperation start];
9     }
10      return self;
11 }
12 - (void)myTaskMethod:(id)data {
13     // Perform the task.
14     printf("hello myTaskMethod ");
15 }
16 int main(int argc, const char * argv[]) {
17     @autoreleasepool {
18          test_NSInvocationOperation *in = [[test_NSInvocationOperation alloc] init];
19     }
20     return 0;
21 }

3) NSOperationQueue

1 int main(int argc, const char * argv[]) {
2     @autoreleasepool {
3         NSBlockOperation *operation1s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
4             NSLog(@"operation1s");
5         }];
6         NSBlockOperation *operation2s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
7             NSLog(@"operation2s");
8         }];
9         NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init]; //创建队列
10         queue.maxConcurrentOperationCount = 2;
11         [queue addOperation:operation1s]; //将NSOperation 对象添加到队列
12         [queue addOperation:operation2s];
13
14         [queue waitUntilAllOperationsAreFinished];  //队列等待任务完成
15     }
16     return 0;
17 }

2 NSOperation

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。

2.1 预定义子类

根据任务的使用方式不同，目前系统预定义了两个子类：NSInvocationOperation和NSBlockOperation。

1) NSBlockOperation

该子类是将任务封装成block块，然后NSBlockOpration对象执行block块的任务。如：

1 NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
2 //Do something here.
3 }];

2) NSInvocationOperation

该子类是将任务封装在函数中，然后NSInvocationOperation对象执行函数中的任务。如：

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

2.2 自定义子类

如果预定义子类不能满足应用的需要，可以自定义NSOperation的子类。其中自定义子类只需实现两个方法：

构造函数
main函数

比如为了支持任务并发操作，但默认情况下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。

1 @interface MyOperation : NSOperation {
2 }
3 @end
4 @implementation MyOperation
5   - (id)init {
6       self = [super init];
7       return self;
8 }
9 - (BOOL)isConcurrent {
10     return YES;
11 }
12 - (void)main {
13    @try {
14        // Do the main work of the operation here.
15    }
16    @catch(...) {
17       // Do not rethrow exceptions.
18     }
19 }

2.3 对象操作

1) 启动运行

启动NSOperation对象开始执行任务，其只需调用对象的start方法即可。其中start方法是同步调用方法，该方法底层又调用了main方法，所以需要等待main执行完成后，start才能够返回。如：

[operation start];

2) 优先级设置

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;

3) 状态监听

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

如监听completionBlock 状态：

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

3 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。

3.1 创建队列

创建NSOperationQueue对象有三种形式：

[[NSoperationQueue alloc] init]：创建全新的线程队列；
[NSoperationQueue mainQueue]：获取主线程中的队列；
[NSoperationQueue currentQueue]：获取当前线程中的队列。

类似dispatch queue，系统也提供了一些queue，第2是系统提供的。

3.2 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];

3.3 执行优先级

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。

3.4 最大并发数目

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。

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

1    NSBlockOperation *operation5s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
2         NSLog(@"operation5s begin");
3         sleep(5);
4         NSLog(@"operation5s end");
5     }];
6     operation5s.queuePriority = NSOperationQueuePriorityHigh;
7     NSBlockOperation *operation1s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
8         NSLog(@"operation1s begin");
9         sleep(1);
10         NSLog(@"operation1s end");
11     }];
12     NSBlockOperation *operation2s = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
13         NSLog(@"operation2s begin");
14         sleep(2);
15         NSLog(@"operation2s end");
16     }];
17
18     operation1s.completionBlock = ^{
19         NSLog(@"operation1s finished in completionBlock");
20     };
21
22     NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
23     queue.maxConcurrentOperationCount = 1;
24     [queue addOperation:operation1s];
25     [queue addOperation:operation2s];
26     [queue addOperation:operation5s];
27     [queue waitUntilAllOperationsAreFinished];
28
29 运行这段代码，我得到了一下输出结果：
30 operation1s begin
31 operation1s end
32 operation5s begin
33 operation1s finished in completionBlock
34 operation5s end
35 operation2s begin
36 operation2s end

4 Operation与GCD

GCD 技术是一个轻量的，底层实现隐藏的神奇技术，我们能够通过GCD和block轻松实现多线程编程，有时候，GCD相比其他系统提供的多线程方法更加有效，当然，有时候GCD不是最佳选择，另一个多线程编程的技术 NSOprationQueue 让我们能够将后台线程以队列方式依序执行，并提供更多操作的入口，这和 GCD 的实现有些类似。

这种类似不是一个巧合，在早期，MacOX 与 iOS 的程序都普遍采用Operation Queue来进行编写后台线程代码，而之后出现的GCD技术大体是依照前者的原则来实现的，而随着GCD的普及，在iOS 4 与 MacOS X 10.6以后，Operation Queue的底层实现都是用GCD来实现的。

那这两者直接有什么区别呢？

GCD是底层的C语言构成的API，而NSOperationQueue及相关对象是Objc的对象。在GCD中，在队列中执行的是由block构成的任务，这是一个轻量级的数据结构；而Operation作为一个对象，为我们提供了更多的选择；
在NSOperationQueue中，我们可以随时取消已经设定要准备执行的任务(当然，已经开始的任务就无法阻止了)，而GCD没法停止已经加入queue的block(其实是有的，但需要许多复杂的代码)；
NSOperation能够方便地设置依赖关系，我们可以让一个Operation依赖于另一个Operation，这样的话尽管两个Operation处于同一个并行队列中，但前者会直到后者执行完毕后再执行；
我们能将KVO应用在NSOperation中，可以监听一个Operation是否完成或取消，这样子能比GCD更加有效地掌控我们执行的后台任务；
在NSOperation中，我们能够设置NSOperation的priority优先级，能够使同一个并行队列中的任务区分先后地执行，而在GCD中，我们只能区分不同任务队列的优先级，如果要区分block任务的优先级，也需要大量的复杂代码；
我们能够对NSOperation进行继承，在这之上添加成员变量与成员方法，提高整个代码的复用度，这比简单地将block任务排入执行队列更有自由度，能够在其之上添加更多自定制的功能。

总的来说，Operation queue 提供了更多你在编写多线程程序时需要的功能，并隐藏了许多线程调度，线程取消与线程优先级的复杂代码，为我们提供简单的API入口。从编程原则来说，一般我们需要尽可能的使用高等级、封装完美的API，在必须时才使用底层API。但是我认为当我们的需求能够以更简单的底层代码完成的时候，简洁的GCD或许是个更好的选择，而Operation queue 为我们提供能更多的选择。

5 参考文献

[1] 并发编程之Operation Queue；

[2] Apple：Concurrency Programming Guide

[3] NSOprationQueue 与 GCD 的区别与选用