一、GCD 队列底层原理

1.1 队列类型

串行队列：一次只执行一个任务。
并发队列：可以并发执行多个任务。
主队列：主线程的串行队列，用于更新 UI。

1.2 队列背后的线程

GCD 使用 线程池 管理线程，具体由 libdispatch + pthread 实现。
并发队列任务实际是串行调度、并发执行（由系统根据线程池和资源自动调度）。

二、常见 GCD 高级用法

2.1 dispatch_barrier（栅栏函数）

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_async(queue, ^{
    // 任务1
});

dispatch_barrier_async(queue, ^{
    // 栅栏任务：写操作
});

dispatch_async(queue, ^{
    // 任务2
});

2.2 dispatch_group（任务组）

dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 任务1
});

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    // 任务2
});

dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 所有任务完成后执行
});

2.3 dispatch_semaphore（信号量）

dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);

dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // 临界区
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
});

三、避免死锁与优雅使用

3.1 死锁示例（主队列同步调用）

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dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
    // 死锁：当前已经在主线程，又等主队列执行
});

3.2 dispatch_once（线程安全的单例初始化）

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    // 初始化逻辑
});

四、GCD 优化技巧与实践

4.1 控制最大并发数（结合 semaphore）

dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    dispatch_async(queue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(sema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        // 下载任务
        dispatch_semaphore_signal(sema);
    });
}

4.2 使用 QoS（服务质量）

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dispatch_queue_attr_t attr = dispatch_queue_attr_make_with_qos_class(DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT, QOS_CLASS_USER_INITIATED, 0);
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.example.qosqueue", attr);

五、和 NSOperation 比较

特性	GCD	NSOperation
简洁性	✅	❌（更复杂）
依赖管理	❌	✅（operation.addDependency）
取消任务	❌	✅（operation.cancel）
重用性/扩展性	❌	✅（子类化）
并发控制（数量）	借助 semaphore	✅（maxConcurrentOperationCount）

GCD 的底层实现原理

Grand Central Dispatch（GCD）是苹果提供的一个多线程并发编程框架，其底层实现原理可以从几个关键的技术点来理解，包括：

一、核心结构与实现基础

1. GCD 基于 libdispatch 实现

GCD 的底层是开源的 libdispatch 库，核心用 C 和 C++ 编写，运行在系统内核之上，封装了线程调度、任务分发、队列管理等功能。

二、任务与队列模型

1. 任务：Block 形式的封装代码（实质是闭包）

每个任务是一个 dispatch_block_t，本质是封装在结构体中的函数指针和上下文数据。

2. 队列：串行 or 并发

串行队列：任务一个个顺序执行。
并发队列：任务可同时执行，具体是否并行取决于系统资源。

底层由结构体 dispatch_queue_s 表示，内部包含：

队列名称
优先级（QoS）
Target Queue（用于继承行为）
队列状态（是否正在执行任务）
队列类型（串行/并发）

三、线程调度原理

1. 线程池机制

GCD 不直接创建线程，而是复用一个系统管理的线程池（Managed Thread Pool）：

Apple 使用内核的 pthread 和 kqueue 机制动态创建和调度线程。
调用 dispatch_async 等方法时任务进入队列，等待调度器（libdispatch）判断是否需要从线程池中取线程执行。

2. 结合内核的调度器

使用 XNU 内核提供的 workloop（基于 kqueue）来监视队列变化。
利用信号量、原子操作、互斥锁控制任务同步。

四、队列的调度机制

1. dispatch_async / dispatch_sync 的区别

方法	调度行为	是否阻塞线程
dispatch_async	异步入队	否
dispatch_sync	同步执行，当前线程等待任务完成	是

底层通过：

dispatch_async：创建任务对象 -> 放入目标队列 -> 唤醒线程池中的线程处理
dispatch_sync：直接调用任务，并使用 semaphore 阻塞当前线程，直到任务执行完

五、QoS（服务质量）控制

GCD 支持 QoS（Quality of Service）等级，例如：

userInteractive（最高）
userInitiated
default
utility
background（最低）

这些优先级通过底层设置线程调度属性，在内核中会影响线程抢占和执行顺序。

六、关键数据结构（源码角度）

1. `dispatch_queue_s`（队列结构体）

包含：

struct dispatch_queue_s {
    ...
    dispatch_object_t _head;    // 队列头部
    dispatch_object_t _tail;    // 队列尾部
    pthread_priority_t _priority; // 优先级
    ...
};

2. `dispatch_continuation_s`（封装 block 的任务结构体）

struct dispatch_continuation_s {
    void *dc_func;     // block 函数指针
    void *dc_ctxt;     // block 上下文
    ...
};

七、并发控制：信号量、栅栏、组

dispatch_semaphore：底层基于 semaphore_t（Mach 信号量）
dispatch_barrier：写操作时阻塞其他任务，底层使用任务依赖和标记机制实现
dispatch_group：通过计数器追踪任务组状态，配合信号量实现通知

总结

GCD 是基于 libdispatch 构建的线程池 + 队列调度框架，其核心优势包括：

高效的线程复用
简洁的 API 封装（block）
动态优先级管理（QoS）
底层结合内核机制（如 kqueue 和 pthread）

Day10-GCD 进阶