【iOS】NSOperation、NSOperationQueue

前言

寒假学习了GCD，前几天学习了NSThread，今天来学习iOS 多线程中 NSOperation、NSOperationQueue 的相关知识以及使用方法。

一、NSOperation、NSOperationQueue 简介

NSOperation、NSOperationQueue 是苹果提供给我们的一套多线程解决方案。
实际上 NSOperation、NSOperationQueue 是基于 GCD 更高一层的封装，完全面向对象。但是比 GCD 更简单易用、代码可读性也更高。

NSOperation需要配合NSOperationQueue来实现多线程。

二、NSOperation、NSOperationQueue 操作和操作队列

由于NSOperation、NSOperationQueue 是GCD的更高级的封装，因此两者有一些相同的概念

• 操作（Operation）
  执行操作，也就相当于我们在线程中执行的代码
  在GCD操作是放在Block中的，在 NSOperation 中，我们使用 NSOperation 子类 NSInvocationOperation、NSBlockOperation，或者自定义子类来封装操作。
• 操作队列（Operation Queues）
• 这里的队列是指操作队列，即用来存放操作的队列。不同于GCD的先进先出，NSOperationQueue可以设置操作执行的优先级
• 操作队列通过设置最大并发操作数（maxConcurrentOperationCount） 来控制并发、串行。
• NSOperationQueue 为我们提供了两种不同类型的队列：主队列和自定义队列。主队列运行在主线程之上，而自定义队列在后台执行。

三、NSOperation

NSOperatino实现多线程的步骤如下：

• 1、创建任务：先将需要执行的操作封装到NSOperation对象中。
• 2、创建队列：创建NSOperationQueue。
• 3、将任务加入到队列中：将NSOperation对象添加到NSOperationQueue中

在不使用 NSOperationQueue，单独使用 NSOperation 的情况下系统同步执行操作

- (void)applicationDidFinishLaunching:(UIApplication *)application {
    MyOperation *operation = [[MyOperation alloc] init];
    NSLog(@"Before operation start");
    [operation start];
    NSLog(@"After operation finish");
}

操作从开始到结束的输出都是按顺序且同步的。应用的执行将在 Before operation start 打印后直接开始 NSOperation，然后直到该操作完成后，才继续执行打印 After operation finish。由于 start 方法是同步执行的，所以它会阻塞当前线程直到操作完成。

//基本使用
- (void)testBaseNSOperation{
    //处理事务
    NSInvocationOperation *op =  [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(handleInvocation:) object:@"XN"]; // object是传递参数
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    
    //操作加入队列
    [queue addOperation:op];   
}
- (void)handleInvocation:(id)operation{
    NSLog(@"%@ - %@", operation, [NSThread currentThread]);
}

NSOperation是个抽象类，实际运用时中需要使用它的子类

• 1、使用子类NSInvocationOperation

//直接处理事务，不添加隐性队列
- (void)createNSOperation{
    //创建NSInvocationOperation对象并关联方法，之后start。
    NSInvocationOperation *invocationOperation = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(doSomething:) object:@"xn"];
    
    [invocationOperation start];
}

当我们直接使用[invocationOperation start];时任务在主线程执行

• 2、使用子类NSBlockOperation

- (void)useBlockOperation {

    // 1.创建 NSBlockOperation 对象
    NSBlockOperation *op = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 2.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

在没有使用NSOperationQueue，同时没有使用addExecutionBlock方法时不会开启新线程执行操作

同时通过addExecutionBlock就可以开启新线程执行操作

如果添加的操作多的话， blockOperationWithBlock: 中的操作也可能会在其他线程（非当前主线程）中执行，这是由系统决定的

- (void)testNSBlockOperationExecution{
  // 1.创建 NSBlockOperation 对象
    NSBlockOperation *op = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 2.添加额外的操作
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"5---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"6---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"7---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"8---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.调用 start 方法开始执行操作
    [op start];
}

输出：

使用子类 NSBlockOperation，并调用方法 AddExecutionBlock: 的情况下，blockOperationWithBlock:方法中的操作 和 addExecutionBlock: 中的操作是在不同的线程中异步执行的。

• 3、定义继承自NSOperation的子类，通过实现内部相应的方法来封装任务。

//*********自定义继承自NSOperation的子类*********
@interface CJLOperation : NSOperation
@end

@implementation CJLOperation
- (void)main{
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"NSOperation的子类：%@",[NSThread currentThread]);
    }
}
@end

//*********使用*********
- (void)cjl_testCJLOperation{
    //运用继承自NSOperation的子类 首先我们定义一个继承自NSOperation的类，然后重写它的main方法。
    CJLOperation *operation = [[CJLOperation alloc] init];
    [operation start];
}

输出：

可以看出：在没有使用 NSOperationQueue、在主线程单独使用自定义继承自 NSOperation 的子类的情况下，是在主线程执行操作，并没有开启新线程。

四、NSOperationQueue

NSOperationQueue添加事务
NSOperationQueue有两种队列：主队列、其他队列。其他队列包含了 串行和并发。

• 主队列
  凡是添加到主队列中的操作，都会放到主线程中执行。

// 主队列获取方法
NSOperationQueue *queue = [NSOperationQueue mainQueue];

• 自定义队列（非主队列）
  添加到这种队列中的操作，就会自动放到子线程中执行。
  同时包含了：串行、并发功能。

// 自定义队列创建方法
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

将操作加入到队列中

上边我们说到 NSOperation 需要配合 NSOperationQueue 来实现多线程。

那么我们需要将创建好的操作加入到队列中去。总共有两种方法：
1、- (void)addOperation:(NSOperation *)op;
需要先创建操作，再将创建好的操作加入到创建好的队列中去。

/**
 * 使用 addOperation: 将操作加入到操作队列中
 */
- (void)addOperationToQueue {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作1
    NSInvocationOperation *op1 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task1) object:nil];

    // 使用 NSInvocationOperation 创建操作2
    NSInvocationOperation *op2 = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(task2) object:nil];

    // 使用 NSBlockOperation 创建操作3
    NSBlockOperation *op3 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [op3 addExecutionBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.使用 addOperation: 添加所有操作到队列中
    [queue addOperation:op1]; // [op1 start]
    [queue addOperation:op2]; // [op2 start]
    [queue addOperation:op3]; // [op3 start]
}

使用 NSOperation 子类创建操作，并使用 addOperation: 将操作加入到操作队列后能够开启新线程，进行并发执行。

NSOperationQueue 管理一个或多个 NSOperation 对象的执行。当你将 NSOperation 实例加入到 NSOperationQueue 时，你不需要手动创建和管理线程。操作队列自动处理这些细节。

2、- (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block;
无需先创建操作，在 block 中添加操作，程序直接将包含操作的 block 加入到队列中。

/**
 * 使用 addOperationWithBlock: 将操作加入到操作队列中
 */

- (void)addOperationWithBlockToQueue {
    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.使用 addOperationWithBlock: 添加操作到队列中
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

可以看出：使用 addOperationWithBlock: 将操作加入到操作队列后能够开启新线程，进行并发执行。

五、NSOperationQueue 控制串行执行、并发执行

我们在上面演示了并发功能，我们来看一下它的串行功能如何实现

这里有个关键属性 maxConcurrentOperationCount ，叫做最大并发操作数。用来控制一个特定队列中可以有多少个操作同时参与并发执行。

注意：这里 maxConcurrentOperationCount 控制的不是并发线程的数量，而是一个队列中同时能并发执行的最大操作数。而且一个操作也并非只能在一个线程中运行，一个操作可能很长，可以将其分散在多个线程中执行，比如我们在子线程更新数据后在主线程更新UI。

最大并发操作数：maxConcurrentOperationCount

maxConcurrentOperationCount 默认情况下为-1，表示不进行限制，可进行并发执行。
maxConcurrentOperationCount 为1时，队列为串行队列。只能串行执行。
maxConcurrentOperationCount 大于1时，队列为并发队列。操作并发执行，当然这个值不应超过系统限制，即使自己设置一个很大的值，系统也会自动调整为 min{自己设定的值，系统设定的默认最大值}。

/**
 * 设置 MaxConcurrentOperationCount（最大并发操作数）
 */
- (void)setMaxConcurrentOperationCount {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.设置最大并发操作数
    queue.maxConcurrentOperationCount = 1; // 串行队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 2; // 并发队列
// queue.maxConcurrentOperationCount = 8; // 并发队列

    // 3.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"3---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"4---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
}

maxConcurrentOperationCount = 1

可以看到任务按顺序串行执行

maxConcurrentOperationCount = 2

在并发操作数为2时可以执行两个操作，操作时并发施行的，而开启线程数量是由系统决定的，不需要我们来管理。

因为NSOperation由系统控制开启线程数量以及串行并行，而GCD需要我们手动控制

六、 NSOperation 操作依赖

NSOperation、NSOperationQueue 最吸引人的地方是它能添加操作之间的依赖关系。通过操作依赖，我们可以很方便的控制操作之间的执行先后顺序。NSOperation 提供了3个接口供我们管理和查看依赖。

• (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
• (void)removeDependency:(NSOperation *)op; 移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
• @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。

我们现在来假设一个场景，有两个操作A、B，A操作完B才能操作，也就是B依赖A

/**
 * 操作依赖
 * 使用方法：addDependency:
 */
- (void)addDependency {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];

    // 2.创建操作
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }
    }];

    // 3.添加依赖
    [op2 addDependency:op1]; // 让op2 依赖于 op1，则先执行op1，在执行op2

    // 4.添加操作到队列中
    [queue addOperation:op2];
    [queue addOperation:op1];
}

可以看到即使两个操作在不同线程执行也就是并发执行，也是op1先执行才能执行op2

去掉依赖：

七、NSOperation 优先级

NSOperation 提供了queuePriority（优先级）属性，queuePriority属性适用于同一操作队列中的操作

默认情况下，所有新创建的操作对象优先级都是NSOperationQueuePriorityNormal，但是我们可以通过setQueuePriority:方法来改变当前操作在同一队列中的执行优先级。

// 优先级的取值
typedef NS_ENUM(NSInteger, NSOperationQueuePriority) {
    NSOperationQueuePriorityVeryLow = -8L,
    NSOperationQueuePriorityLow = -4L,
    NSOperationQueuePriorityNormal = 0,
    NSOperationQueuePriorityHigh = 4,
    NSOperationQueuePriorityVeryHigh = 8
};

将操作添加到队列后操作会进入就绪状态，就绪状态的操作的执行顺序由操作之间的优先级决定

就绪状态的操作：简单理解就是准备就绪的操作就是没有需要依赖的操作，例如op2依赖于op1，那么op2就没有准备就绪，因为他需要等op1执行完才准备就绪

优先级不能取代依赖关系。如果要控制操作间的启动顺序，则必须使用依赖关系。

八、NSOperation、NSOperationQueue 线程间的通信

同样的我们在开发中常常在子线程中更新数据在主线程中更新UI，这在NSOperation中时如何实现的呢

/**
 * 线程间通信
 */
- (void)communication {

    // 1.创建队列
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc]init];

    // 2.添加操作
    [queue addOperationWithBlock:^{
        // 异步进行耗时操作
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
            NSLog(@"1---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
        }

        // 回到主线程
        [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
            // 进行一些 UI 刷新等操作
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                [NSThread sleepForTimeInterval:2]; // 模拟耗时操作
                NSLog(@"2---%@", [NSThread currentThread]); // 打印当前线程
            }
        }];
    }];
}

输出：

九、NSOperation、NSOperationQueue 线程同步和线程安全

又到了老生常谈的售票问题

NSOperation、NSOperationQueue 非线程安全

因为使用NSOperation将操作添加到队列时系统后自动执行并发操作
因此如果不对线程进行加锁会出现如下状况

/**
 * 非线程安全：不使用 NSLock
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    NSLog(@"currentThread---%@",[NSThread currentThread]); // 打印当前线程

    self.ticketSurplusCount = 50;

    // 1.创建 queue1,queue1 代表北京火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue1 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue1.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 2.创建 queue2,queue2 代表上海火车票售卖窗口
    NSOperationQueue *queue2 = [[NSOperationQueue alloc] init];
    queue2.maxConcurrentOperationCount = 1;

    // 3.创建卖票操作 op1
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    NSBlockOperation *op1 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketNotSafe];
    }];

    // 4.创建卖票操作 op2
    NSBlockOperation *op2 = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [weakSelf saleTicketNotSafe];
    }];

    // 5.添加操作，开始卖票
    [queue1 addOperation:op1];
    [queue2 addOperation:op2];
}

/**
 * 售卖火车票(非线程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {

        if (self.ticketSurplusCount > 0) {
            //如果还有票，继续售卖
            self.ticketSurplusCount--;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%d 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        } else {
            NSLog(@"所有火车票均已售完");
            break;
        }
    }
}

输出：

NSOperation、NSOperationQueue 非线程安全

使用互斥锁进行加锁后就得到了正确的票数

- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        @synchronized (self) {
            if (self.ticketSurplusCount > 0) {
                //如果还有票，继续售卖
                self.ticketSurplusCount--;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%d 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            } else {
                NSLog(@"所有火车票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

输出：

十、NSOperation、NSOperationQueue 常用属性和方法归纳

NSOperation 常用属性和方法

取消操作方法

• - (void)cancel; 可取消操作，实质是标记 isCancelled 状态。

判断操作状态方法

• - (BOOL)isFinished; 判断操作是否已经结束。
• - (BOOL)isCancelled; 判断操作是否已经标记为取消。
• - (BOOL)isExecuting; 判断操作是否正在在运行。
• - (BOOL)isReady; 判断操作是否处于准备就绪状态，这个值和操作的依赖关系相关。

操作同步

• -(void)waitUntilFinished; 阻塞当前线程，直到该操作结束。可用于线程执行顺序的同步。
• - (void)setCompletionBlock:(void (^)(void))block; completionBlock 会在当前操作执行完毕时执行 completionBlock。
• - (void)addDependency:(NSOperation *)op; 添加依赖，使当前操作依赖于操作 op 的完成。
• - (void)removeDependency:(NSOperation *)op;移除依赖，取消当前操作对操作 op 的依赖。
• @property (readonly, copy) NSArray<NSOperation *> *dependencies; 在当前操作开始执行之前完成执行的所有操作对象数组。

NSOperationQueue 常用属性和方法

取消/暂停/恢复操作

- (void)cancelAllOperations; 可以取消队列的所有操作。
- (BOOL)isSuspended; 判断队列是否处于暂停状态。 YES 为暂停状态，NO 为恢复状态。
- (void)setSuspended:(BOOL)b; 可设置操作的暂停和恢复，YES 代表暂停队列，NO 代表恢复队列。

操作同步

- (void)waitUntilAllOperationsAreFinished; 阻塞当前线程，直到队列中的操作全部执行完毕。

添加/获取操作

- (void)addOperationWithBlock:(void (^)(void))block; 向队列中添加一个 NSBlockOperation 类型操作对象。
- (void)addOperations:(NSArray *)ops waitUntilFinished:(BOOL)wait; 向队列中添加操作数组，wait 标志是否阻塞当前线程直到所有操作结束
- (NSArray *)operations; 当前在队列中的操作数组（某个操作执行结束后会自动从这个数组清除）。
- (NSUInteger)operationCount; 当前队列中的操作数。

获取队列

+ (id)currentQueue; 获取当前队列，如果当前线程不是在 NSOperationQueue 上运行则返回 nil。
+ (id)mainQueue; 获取主队列。