深入理解GCD之dispatch_group

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之前已經介紹了dispatch_semaphore的底層實現,dispatch_group的實現是基于前者的。在看源碼之前,我們先看一下我們是如何應用的。假設有這么場景:有一個A耗時操作,B和C兩個網絡請求和一個耗時操作C當ABC都執行完成后,刷新頁面。我們可以用dispatch_group實現。關鍵如下:

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
        __block NSInteger number = 0;
    
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    
    //A耗時操作
    dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(3);
        number += 2222;
    });
    
    //B網絡請求
    dispatch_group_enter(group);
    [self sendRequestWithCompletion:^(id response) {
        number += [response integerValue];
        dispatch_group_leave(group);
    }];
    
    //C網絡請求
    dispatch_group_enter(group);
    [self sendRequestWithCompletion:^(id response) {
        number += [response integerValue];
        dispatch_group_leave(group);
    }];
    
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%zd", number);
    });
}

- (void)sendRequestWithCompletion:(void (^)(id response))completion {
    //模擬一個網絡請求
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    dispatch_async(queue, ^{
        sleep(2);
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            if (completion) completion(@1111);
        });
    });
}

接下來我們根據上面的流程來看一下dispatch_group的相關API

dispatch_group_create

dispatch_group_t
dispatch_group_create(void)
{
    return (dispatch_group_t)dispatch_semaphore_create(LONG_MAX);
}

dispatch_group_create其實就是創建了一個valueLONG_MAXdispatch_semaphore信號量

dispatch_group_async

void
dispatch_group_async(dispatch_group_t dg, dispatch_queue_t dq,
        dispatch_block_t db)
{
    dispatch_group_async_f(dg, dq, _dispatch_Block_copy(db),
            _dispatch_call_block_and_release);
}

dispatch_group_async只是dispatch_group_async_f的封裝

dispatch_group_async_f

void
dispatch_group_async_f(dispatch_group_t dg, dispatch_queue_t dq, void *ctxt,
        dispatch_function_t func)
{
    dispatch_continuation_t dc;

    _dispatch_retain(dg);
    dispatch_group_enter(dg);

    dc = fastpath(_dispatch_continuation_alloc_cacheonly());
    if (!dc) {
        dc = _dispatch_continuation_alloc_from_heap();
    }

    dc->do_vtable = (void *)(DISPATCH_OBJ_ASYNC_BIT | DISPATCH_OBJ_GROUP_BIT);
    dc->dc_func = func;
    dc->dc_ctxt = ctxt;
    dc->dc_group = dg;

    // No fastpath/slowpath hint because we simply don't know
    if (dq->dq_width != 1 && dq->do_targetq) {
        return _dispatch_async_f2(dq, dc);
    }

    _dispatch_queue_push(dq, dc);
}

從上面的代碼我們可以看出dispatch_group_async_fdispatch_async_f相似。dispatch_group_async_f多了dispatch_group_enter(dg);,另外在do_vtable的賦值中dispatch_group_async_f多了一個DISPATCH_OBJ_GROUP_BIT的標記符。既然添加了dispatch_group_enter必定會存在dispatch_group_leave。在之前《深入理解GCD之dispatch_queue》介紹_dispatch_continuation_pop函數的源碼中有一段代碼如下:

    _dispatch_client_callout(dc->dc_ctxt, dc->dc_func);
    if (dg) {
        //group需要進行調用dispatch_group_leave并釋放信號
        dispatch_group_leave(dg);
        _dispatch_release(dg);
    }

所以dispatch_group_async_f函數中的dispatch_group_leave是在_dispatch_continuation_pop函數中調用的。

這里概括一下dispatch_group_async_f的工作流程:

  1. 調用dispatch_group_enter
  2. 將block和queue等信息記錄到dispatch_continuation_t結構體中,并將它加入到group的鏈表中;
  3. _dispatch_continuation_pop執行時會判斷任務是否為group,是的話執行完任務再調用dispatch_group_leave以達到信號量的平衡。

dispatch_group_enter

void
dispatch_group_enter(dispatch_group_t dg)
{
    dispatch_semaphore_t dsema = (dispatch_semaphore_t)dg;

    (void)dispatch_semaphore_wait(dsema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
}

dispatch_group_enterdispatch_group_t轉換成dispatch_semaphore_t,并調用dispatch_semaphore_wait,原子性減1后,進入等待狀態直到有信號喚醒。所以說dispatch_group_enter就是對dispatch_semaphore_wait的封裝

dispatch_group_leave

void
dispatch_group_leave(dispatch_group_t dg)
{
    dispatch_semaphore_t dsema = (dispatch_semaphore_t)dg;
    dispatch_atomic_release_barrier();
    long value = dispatch_atomic_inc2o(dsema, dsema_value);//dsema_value原子性加1
    if (slowpath(value == LONG_MIN)) {//內存溢出,由于dispatch_group_leave在dispatch_group_enter之前調用
        DISPATCH_CLIENT_CRASH("Unbalanced call to dispatch_group_leave()");
    }
    if (slowpath(value == dsema->dsema_orig)) {//表示所有任務已經完成,喚醒group
        (void)_dispatch_group_wake(dsema);
    }
}

從上面的源代碼中我們看到dispatch_group_leavedispatch_group_t轉換成dispatch_semaphore_t后將dsema_value的值原子性加1。如果valueLONG_MIN程序crash;如果value等于dsema_orig表示所有任務已完成,調用_dispatch_group_wake喚醒group(_dispatch_group_wake的用于和notify有關,我們會在后面介紹)。因為在enter的時候進行了原子性減1操作。所以在leave的時候需要原子性加1。

這里先說明一下enterleave之間的關系:

  1. dispatch_group_leave與dispatch_group_enter配對使用。當調用了dispatch_group_enter而沒有調用dispatch_group_leave時,由于value不等于dsema_orig不會走到喚醒邏輯,dispatch_group_notify中的任務無法執行或者dispatch_group_wait收不到信號而卡住線程。

  2. dispatch_group_enter必須在dispatch_group_leave之前出現。當dispatch_group_leavedispatch_group_enter多調用了一次或者說在dispatch_group_enter之前被調用的時候,dispatch_group_leave進行原子性加1操作,相當于valueLONGMAX+1,發生數據長度溢出,變成LONG_MIN,由于value == LONG_MIN成立,程序發生crash。

dispatch_group_notify

void
dispatch_group_notify(dispatch_group_t dg, dispatch_queue_t dq,
        dispatch_block_t db)
{
    dispatch_group_notify_f(dg, dq, _dispatch_Block_copy(db),
            _dispatch_call_block_and_release);
}

dispatch_group_notifydispatch_group_notify_f的封裝,具體實現在后者。

dispatch_group_notify_f

void
dispatch_group_notify_f(dispatch_group_t dg, dispatch_queue_t dq, void *ctxt,
        void (*func)(void *))
{
    dispatch_semaphore_t dsema = (dispatch_semaphore_t)dg;
    struct dispatch_sema_notify_s *dsn, *prev;

    //封裝dispatch_continuation_t結構體
    // FIXME -- this should be updated to use the continuation cache
    while (!(dsn = calloc(1, sizeof(*dsn)))) {
        sleep(1);
    }

    dsn->dsn_queue = dq;
    dsn->dsn_ctxt = ctxt;
    dsn->dsn_func = func;
    _dispatch_retain(dq);
    dispatch_atomic_store_barrier();
    //將結構體放到鏈表尾部,如果鏈表為空同時設置鏈表頭部節點并喚醒group
    prev = dispatch_atomic_xchg2o(dsema, dsema_notify_tail, dsn);
    if (fastpath(prev)) {
        prev->dsn_next = dsn;
    } else {
        _dispatch_retain(dg);
        (void)dispatch_atomic_xchg2o(dsema, dsema_notify_head, dsn);
        if (dsema->dsema_value == dsema->dsema_orig) {//任務已經完成,喚醒group
            _dispatch_group_wake(dsema);
        }
    }
}

所以dispatch_group_notify函數只是用鏈表把所有回調通知保存起來,等待調用。

_dispatch_group_wake

static long
_dispatch_group_wake(dispatch_semaphore_t dsema)
{
    struct dispatch_sema_notify_s *next, *head, *tail = NULL;
    long rval;
    //將dsema的dsema_notify_head賦值為NULL,同時將之前的內容賦給head
    head = dispatch_atomic_xchg2o(dsema, dsema_notify_head, NULL);
    if (head) {
        // snapshot before anything is notified/woken <rdar://problem/8554546>
        //將dsema的dsema_notify_tail賦值為NULL,同時將之前的內容賦給tail
        tail = dispatch_atomic_xchg2o(dsema, dsema_notify_tail, NULL);
    }
    //將dsema的dsema_group_waiters設置為0,并返回原來的值
    rval = dispatch_atomic_xchg2o(dsema, dsema_group_waiters, 0);
    if (rval) {
        //循環調用semaphore_signal喚醒當初等待group的信號量,使得dispatch_group_wait函數返回。
        // wake group waiters
#if USE_MACH_SEM
        _dispatch_semaphore_create_port(&dsema->dsema_waiter_port);
        do {
            kern_return_t kr = semaphore_signal(dsema->dsema_waiter_port);
            DISPATCH_SEMAPHORE_VERIFY_KR(kr);
        } while (--rval);
#elif USE_POSIX_SEM
        do {
            int ret = sem_post(&dsema->dsema_sem);
            DISPATCH_SEMAPHORE_VERIFY_RET(ret);
        } while (--rval);
#endif
    }
    if (head) {
        //獲取鏈表,依次調用dispatch_async_f異步執行在notify函數中的任務即Block。
        // async group notify blocks
        do {
            dispatch_async_f(head->dsn_queue, head->dsn_ctxt, head->dsn_func);
            _dispatch_release(head->dsn_queue);
            next = fastpath(head->dsn_next);
            if (!next && head != tail) {
                while (!(next = fastpath(head->dsn_next))) {
                    _dispatch_hardware_pause();
                }
            }
            free(head);
        } while ((head = next));
        _dispatch_release(dsema);
    }
    return 0;
}

_dispatch_group_wake主要的作用有兩個:

  1. 調用semaphore_signal喚醒當初等待group的信號量,使得dispatch_group_wait函數返回。

  2. 獲取鏈表,依次調用dispatch_async_f異步執行在notify函數中的任務即Block。

到這里我們已經差不多知道了dispatch_group工作過程,我們用一張圖表示:

dispatch_group

dispatch_group_wait

long
dispatch_group_wait(dispatch_group_t dg, dispatch_time_t timeout)
{
    dispatch_semaphore_t dsema = (dispatch_semaphore_t)dg;

    if (dsema->dsema_value == dsema->dsema_orig) {//沒有需要執行的任務
        return 0;
    }
    if (timeout == 0) {//返回超時
#if USE_MACH_SEM
        return KERN_OPERATION_TIMED_OUT;
#elif USE_POSIX_SEM
        errno = ETIMEDOUT;
        return (-1);
#endif
    }
    return _dispatch_group_wait_slow(dsema, timeout);
}

dispatch_group_wait用于等待group中的任務完成。

_dispatch_group_wait_slow

static long
_dispatch_group_wait_slow(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout)
{
    long orig;

again:
    // check before we cause another signal to be sent by incrementing
    // dsema->dsema_group_waiters
    if (dsema->dsema_value == dsema->dsema_orig) {
        return _dispatch_group_wake(dsema);
    }
    // Mach semaphores appear to sometimes spuriously wake up. Therefore,
    // we keep a parallel count of the number of times a Mach semaphore is
    // signaled (6880961).
    (void)dispatch_atomic_inc2o(dsema, dsema_group_waiters);
    // check the values again in case we need to wake any threads
    if (dsema->dsema_value == dsema->dsema_orig) {
        return _dispatch_group_wake(dsema);
    }

#if USE_MACH_SEM
    mach_timespec_t _timeout;
    kern_return_t kr;

    _dispatch_semaphore_create_port(&dsema->dsema_waiter_port);

    // From xnu/osfmk/kern/sync_sema.c:
    // wait_semaphore->count = -1; /* we don't keep an actual count */
    //
    // The code above does not match the documentation, and that fact is
    // not surprising. The documented semantics are clumsy to use in any
    // practical way. The above hack effectively tricks the rest of the
    // Mach semaphore logic to behave like the libdispatch algorithm.

    switch (timeout) {
    default:
        do {
            uint64_t nsec = _dispatch_timeout(timeout);
            _timeout.tv_sec = (typeof(_timeout.tv_sec))(nsec / NSEC_PER_SEC);
            _timeout.tv_nsec = (typeof(_timeout.tv_nsec))(nsec % NSEC_PER_SEC);
            kr = slowpath(semaphore_timedwait(dsema->dsema_waiter_port,
                    _timeout));
        } while (kr == KERN_ABORTED);

        if (kr != KERN_OPERATION_TIMED_OUT) {
            DISPATCH_SEMAPHORE_VERIFY_KR(kr);
            break;
        }
        // Fall through and try to undo the earlier change to
        // dsema->dsema_group_waiters
    case DISPATCH_TIME_NOW:
        while ((orig = dsema->dsema_group_waiters)) {
            if (dispatch_atomic_cmpxchg2o(dsema, dsema_group_waiters, orig,
                    orig - 1)) {
                return KERN_OPERATION_TIMED_OUT;
            }
        }
        // Another thread called semaphore_signal().
        // Fall through and drain the wakeup.
    case DISPATCH_TIME_FOREVER:
        do {
            kr = semaphore_wait(dsema->dsema_waiter_port);
        } while (kr == KERN_ABORTED);
        DISPATCH_SEMAPHORE_VERIFY_KR(kr);
        break;
    }
#elif USE_POSIX_SEM
//這部分代碼省略
#endif

    goto again;
}

從上面的代碼我們發現_dispatch_group_wait_slow_dispatch_semaphore_wait_slow的邏輯很接近。都利用mach內核的semaphore進行信號的發送。區別在于_dispatch_semaphore_wait_slow在等待結束后是return,而_dispatch_group_wait_slow在等待結束是調用_dispatch_group_wake去喚醒這個group。

總結

  1. dispatch_group是一個初始值為LONG_MAX的信號量,group中的任務完成是判斷其value是否恢復成初始值。

  2. dispatch_group_enterdispatch_group_leave必須成對使用并且支持嵌套。

  3. 如果dispatch_group_enterdispatch_group_leave多,由于value不等于dsema_orig不會走到喚醒邏輯,dispatch_group_notify中的任務無法執行或者dispatch_group_wait收不到信號而卡住線程。如果是dispatch_group_leave多,則會引起崩潰。

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