串行队列（Serial Queue）和并行队列（Concurrent Queue）详解

串行队列（Serial Queue）和并行队列（Concurrent Queue）详解并代码示例。内容主要基于 DispatchQueue，是 Grand Central Dispatch (GCD) 的核心组件，用于管理多线程任务。

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1. 串行队列 (Serial Queue)

概念

• 定义： 串行队列是一种任务按顺序执行的队列，后续任务必须等待前一个任务完成后才能开始。
• 特点： 任务以 FIFO（先进先出）顺序执行，保证同一时间只有一个任务在运行。
• 适用场景：
  • 需要保证任务顺序的操作（如文件写入、数据库操作）。
  • 避免竞争条件（Race Condition），确保线程安全。

创建方法

let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.serial")

• 参数：
  • label: 队列的标识符（字符串），用于调试和标识队列，建议使用反向域名格式。
    • 意义： 在 Xcode 调试或 Instruments 中区分队列。
    • 使用方法： 例如 "com.qrlink.serial"。
  • 默认属性： 创建的是串行队列，除非指定其他参数。

使用方法

• 同步执行： sync
  • 在当前线程阻塞执行任务。
• 异步执行： async
  • 不阻塞当前线程，任务在队列中排队执行。

代码示例与注解

import UIKit

class SerialQueueExample {
    // 创建一个串行队列
    private let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.serialQueue")
    
    func performTasks() {
        // 任务 1: 异步执行
        serialQueue.async {
            print("Task 1 started at \(Date())")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 2) // 模拟耗时操作
            print("Task 1 finished at \(Date())")
        }
        
        // 任务 2: 异步执行
        serialQueue.async {
            print("Task 2 started at \(Date())")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 1) // 模拟耗时操作
            print("Task 2 finished at \(Date())")
        }
        
        // 任务 3: 同步执行
        serialQueue.sync {
            print("Task 3 started at \(Date())")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 1) // 模拟耗时操作
            print("Task 3 finished at \(Date())")
        }
        
        print("Main thread continues at \(Date())")
    }
}

// 测试代码
let example = SerialQueueExample()
example.performTasks()

输出示例：

Main thread continues at 2025-03-18 10:00:00 +0000
Task 1 started at 2025-03-18 10:00:00 +0000
Task 1 finished at 2025-03-18 10:00:02 +0000
Task 2 started at 2025-03-18 10:00:02 +0000
Task 2 finished at 2025-03-18 10:00:03 +0000
Task 3 started at 2025-03-18 10:00:03 +0000
Task 3 finished at 2025-03-18 10:00:04 +0000

注解：

• 串行性： Task 1, Task 2, Task 3 在 serialQueue 上按顺序执行，Task 2 必须等待 Task 1 完成。
• async： Task 1 和 Task 2 不阻塞主线程，主线程立即打印 "Main thread continues"。
• sync： Task 3 在当前线程（这里是主线程）同步执行，但由于在串行队列上，它仍等待前面的异步任务完成。

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2. 并行队列 (Concurrent Queue)

概念

• 定义： 并行队列允许多个任务同时执行，任务无需等待彼此完成。
• 特点： 任务并行运行，执行顺序不确定，依赖系统资源和调度。
• 适用场景：
  • 独立的任务（如网络请求、图像处理）。
  • 需要最大化并发性能的场景。

创建方法

let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.concurrent", attributes: .concurrent)

• 参数：
  • label: 同串行队列，用于标识。
  • attributes: 指定队列属性。
    • .concurrent: 表示创建并行队列。
    • 意义： 使队列允许多任务并发执行。
    • 使用方法： 添加 .concurrent 属性即可。

全局并行队列

• 系统提供预定义的全局并行队列：

  let globalQueue = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)

  • 参数：
    • qos: 服务质量（Quality of Service），决定任务优先级。
      • .userInitiated: 用户发起的任务，高优先级。
      • .userInteractive: UI 相关任务，最高优先级。
      • .utility: 长时间运行的任务，中等优先级。
      • .background: 后台任务，低优先级。
      • 意义： 控制任务执行的资源分配和优先级。
      • 使用方法： 根据任务类型选择，例如 .userInitiated 用于快速响应用户操作。

使用方法

• 同步执行： sync
  • 阻塞当前线程，直到任务完成。
• 异步执行： async
  • 不阻塞当前线程，任务并行执行。
• barrier（栅栏）： async(flags: .barrier)
  • 在并行队列中创建同步点，前面的任务完成后执行栅栏任务，完成后继续并行。

代码示例与注解

import UIKit

class ConcurrentQueueExample {
    // 创建一个自定义并行队列
    private let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.concurrentQueue", attributes: .concurrent)
    
    // 使用全局并行队列
    private let globalQueue = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)
    
    func performTasks() {
        // 任务 1: 异步执行
        concurrentQueue.async {
            print("Task 1 started at \(Date()) on \(Thread.current)")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 2)
            print("Task 1 finished at \(Date())")
        }
        
        // 任务 2: 异步执行
        concurrentQueue.async {
            print("Task 2 started at \(Date()) on \(Thread.current)")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 1)
            print("Task 2 finished at \(Date())")
        }
        
        // 任务 3: 使用栅栏，确保前面的任务完成后执行
        concurrentQueue.async(flags: .barrier) {
            print("Barrier Task started at \(Date())")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 1)
            print("Barrier Task finished at \(Date())")
        }
        
        // 任务 4: 在全局队列执行
        globalQueue.async {
            print("Global Task started at \(Date())")
            Thread.sleep(forTimeInterval: 1)
            print("Global Task finished at \(Date())")
        }
        
        print("Main thread continues at \(Date())")
    }
}

// 测试代码
let example = ConcurrentQueueExample()
example.performTasks()

输出示例：

Main thread continues at 2025-03-18 10:00:00 +0000
Task 1 started at 2025-03-18 10:00:00 +0000 on <NSThread: 0x...>{number = 2}
Task 2 started at 2025-03-18 10:00:00 +0000 on <NSThread: 0x...>{number = 3}
Global Task started at 2025-03-18 10:00:00 +0000 on <NSThread: 0x...>{number = 4}
Task 2 finished at 2025-03-18 10:00:01 +0000
Global Task finished at 2025-03-18 10:00:01 +0000
Task 1 finished at 2025-03-18 10:00:02 +0000
Barrier Task started at 2025-03-18 10:00:02 +0000
Barrier Task finished at 2025-03-18 10:00:03 +0000

注解：

• 并行性： Task 1, Task 2, 和 Global Task 同时开始（不同线程），无需等待彼此完成。
• async： 不阻塞主线程，主线程立即继续。
• .barrier： 栅栏任务等待 Task 1 和 Task 2 完成后执行，确保同步点。
• globalQueue： 使用系统全局队列，适合不需要自定义管理的任务。

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3. 串行队列 vs 并行队列

特性	串行队列	并行队列
执行顺序	按顺序（FIFO）	并行，无序
并发性	单任务执行	多任务同时执行
线程安全	天然线程安全	需手动同步（如使用栅栏）
创建方式	DispatchQueue(label:)	DispatchQueue(label:, attributes: .concurrent)
典型场景	顺序操作、资源保护	独立任务、高并发

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4. 方法与参数详解

DispatchQueue 方法

1. sync(execute:)

   • 意义： 同步执行任务，阻塞当前线程直到任务完成。

   • 参数： execute: 一个闭包，包含要执行的任务。

   • 使用方法： 用于需要立即获取结果的场景，但避免在主线程使用耗时操作。

   • 示例：

     serialQueue.sync {
         print("Sync task on serial queue")
     }

2. async(execute:)

   • 意义： 异步执行任务，不阻塞当前线程。

   • 参数： execute: 一个闭包，包含要执行的任务。

   • 使用方法： 适合耗时操作，常见于后台任务。

   • 示例：

     concurrentQueue.async {
         print("Async task on concurrent queue")
     }

3. async(flags: .barrier, execute:)

   • 意义： 在并行队列中添加栅栏任务，确保前面的任务完成后执行。

   • 参数：

     • flags: .barrier: 指定栅栏属性。
     • execute: 栅栏任务闭包。

   • 使用方法： 用于并行队列中的同步点，例如写操作。

   • 示例：

     concurrentQueue.async(flags: .barrier) {
         print("Barrier task")
     }

DispatchQueue 参数

• label : 队列名称。
  • 意义： 调试时标识队列。
  • 示例： "com.qrlink.myQueue"。
• qos : 服务质量。
  • 选项： .userInteractive, .userInitiated, .utility, .background。
  • 意义： 控制任务优先级和资源分配。
• attributes : 队列属性。
  • 选项： .concurrent, .initiallyInactive。
  • 意义： .concurrent 创建并行队列，.initiallyInactive 创建需手动激活的队列。

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5. 综合应用示例

结合摄像头扫描场景，展示串行和并行队列的使用：

class CameraQueueExample {
    private let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.serialCamera")
    private let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.qrlink.concurrentCamera", attributes: .concurrent)
    private var captureSession: AVCaptureSession?
    
    func setupCamera() {
        captureSession = AVCaptureSession()
        guard let captureSession = captureSession else { return }
        
        // 串行队列：顺序配置摄像头
        serialQueue.async {
            guard let device = AVCaptureDevice.default(for: .video) else { return }
            do {
                let input = try AVCaptureDeviceInput(device: device)
                captureSession.beginConfiguration()
                captureSession.addInput(input)
                
                let output = AVCaptureMetadataOutput()
                captureSession.addOutput(output)
                captureSession.commitConfiguration()
                
                // 并行队列：同时启动会话和处理其他任务
                self.concurrentQueue.async {
                    captureSession.startRunning()
                    print("Camera started at \(Date())")
                }
                
                self.concurrentQueue.async {
                    print("Other task started at \(Date())")
                    Thread.sleep(forTimeInterval: 1)
                    print("Other task finished at \(Date())")
                }
                
                // 栅栏：确保会话启动后再执行
                self.concurrentQueue.async(flags: .barrier) {
                    print("Barrier task after camera setup at \(Date())")
                }
            } catch {
                print("Setup failed: \(error)")
            }
        }
    }
}

let cameraExample = CameraQueueExample()
cameraExample.setupCamera()

输出示例：

Camera started at 2025-03-18 10:00:00 +0000
Other task started at 2025-03-18 10:00:00 +0000
Other task finished at 2025-03-18 10:00:01 +0000
Barrier task after camera setup at 2025-03-18 10:00:01 +0000

注解：

• 串行队列： 确保摄像头配置按顺序完成。
• 并行队列： startRunning() 和其他任务并行执行。
• 栅栏： 保证关键任务在会话启动后执行。