Swift「信号」机制概述

作者：Federico Zanetello 翻译：BigNerdCoding，原文链接

首先，如果你对大中枢派发（GCD）和派发队列不够熟悉的话，请先看 AppCoda 的这篇文章。

在了解了 GCD 内容后，接下来我们来看看 Swift 中的信号机制。

简介

先让我们假象一个场景：有一群作者在写作的时候必须共享一支笔来完成个人的工作。很明显在这种情形下，每次都只能有一个人能够进行写作。

在代码世界中，上述场景中写作者就相当于线程而笔就是需要共享的资源（例如：文件、变量、某种权限）。

那么问题来了，如何保证这些共享资源的互斥使用？

共享资源的访问控制

对于这些资源的互斥使用问题有人可能会想，只需一个 Bool 类型的 resourceIsAvailable 变量就足够了：

if (resourceIsAvailable) {
  resourceIsAvailable = false
  useResource()
  resourceIsAvailable = true
} else {
  // resource is not available,wait or do something else
}

但是在多线程并发的情况下（不考虑优先级），我们是无法得知具体是哪个线程在执行上述代码。

示例

例如，现在有两个线程 threadA、threadB 都要执行上面的代码，并且对资源的使用是互斥的。那么就可能出现以下情形：

• threadA 首先执行了条件判断语句，并且得到的资源的访问权限。

• 但是在执行权限锁定的代码之前（ resourceIsAvailable = false），处理器切换到 threadB 并且也执行了条件判断语句。

• 现在两个线程都有了访问权限，这就导致了很严重的问题。

所以，不使用 GCD 就想完成线程安全代码的编写是一件非常困难的事情。

How Semaphores Work：

简单来说，分为三个步骤：

1. 当你需要使用共享资源的时候，首先给型号机制发送权限请求（request）。

2. 当信号机制对你开启绿灯放行的时候，我们就可以确保当前资源已经能够被我们使用。

3. 当资源使用完毕后，你必须给信号机制发送通知（signal），让它回收权限并再次分派给其他线程。

当共享资源只有一份并且只能被一个线程占有的时候，那么你可以将上面的 request/signal 理解为对资源的 lock/unlock。

幕后的运行机制

The Structure

首先信号机制需要一个信号量来控制访问权限，它的组成如下：

• 一个计数器 counter 用于标记可用资源数，也就是说它表示了当前还有多少资源还能被线程使用。

• 一个 FIFO 的线程派发队列，用于处理等待资源访问权限的线程。

Resource Request：wait()

当信号机制接受到请求后，它会先去检查自己的资源计数是否大于 0：

• 如果大于0，则资源计数减 1 ，并将资源分配给请求者使用。

• 如果不满足，则将该请求线程放到请求队列的最后。

Resource Release：signal()

当信号机制收到一个使用完毕的释放消息时，他会先去检查请求队列：

• 如果请求队列里的线程不为空的话，则将队列中的第一个线程移出并将资源分配给该线程。

• 否则则增加资源计数。

Warning: Busy Waiting

当线程向信号机制请求资源分配但是没有得到满足时，该线程将会被冻结直到成功获取了资源的使用权。

?? 如果该线程是主线程的话，那么整个 App 都将会被冻结失去响应。

信号机制在 Swift 中的使用

说了那么多，下面我们通过代码来更好的理解该机制。

Declaration

信号量结构的声明非常的简单：

let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1)

其中的参数 value，表示了可供使用的资源总数。

Resource Request

请求资源分配也非常的简单：

semaphore.wait()

需要注意的是，该信号量并没有给予线程任何物理资，仅仅只是一个使用权限。线程只能在 request 和 release 操作之间对资源进行使用。

一旦线程获得了访问权限，那么我们就可以假定线程一定能够对资源进行正常操作。

Resource Release

在释放资源的时候，我们这样写：

semaphore.signal()

当完成资源释放后，该线程就无法使用该资源了，除非它再次发起使用请求。

Semaphore Playgrounds

与AppCoda 的这篇文章一样，接下来我们看看信号机制的真实使用场景。

因为 Swift Playgrounds 并不能完美支持，所以这里我们使用的是 Xcode Playgrounds。希望 WWDC17 中苹果能够对 Swift Playgrounds 进行功能提升吧。

在下面的 playgrounds 中会创建两个线程并且两者将赋予不同的优先级，然后执行的时候打印十次 emoji。

非信号机制下的情形

import Foundation
import PlaygroundSupport

let higherPriority = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)
let lowerPriority = DispatchQueue.global(qos: .utility)

func asyncPrint(queue: DispatchQueue,symbol: String) {
  queue.async {
    for i in 0...10 {
      print(symbol,i)
    }
  }
}

asyncPrint(queue: higherPriority,symbol: "                        
（编辑：李大同）
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