面试题：Objective-C中Core Motion与多线程及实时数据处理

Question

假设你正在开发一个基于Objective-C的实时运动监测应用，使用Core Motion获取传感器数据。由于数据获取和处理的实时性要求，需要结合多线程技术。请详细阐述如何在多线程环境下高效且准确地获取、处理Core Motion传感器数据，避免数据冲突和同步问题，并给出相应的架构设计和关键代码示例。

Answer 1

架构设计

1. 数据获取线程：专门负责从Core Motion获取传感器数据。可以使用一个NSOperationQueue或GCD的队列来处理此任务，确保数据获取的连续性。
2. 数据处理线程：负责对获取到的传感器数据进行处理，例如滤波、计算等。同样使用NSOperationQueue或GCD队列，该队列与数据获取线程的队列相互独立，以实现并行处理。
3. 数据存储：使用一个线程安全的数据结构来存储传感器数据，例如NSMutableArray加锁操作，或者使用更高级的线程安全容器，如NSCache。

关键代码示例

使用GCD获取传感器数据

#import <CoreMotion/CoreMotion.h>

@interface MotionManager : NSObject

@property (nonatomic, strong) CMMotionManager *motionManager;

@end

@implementation MotionManager

- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
        _motionManager.accelerometerUpdateInterval = 0.1;
    }
    return self;
}

- (void)startAccelerometerUpdates {
    if (!self.motionManager.isAccelerometerAvailable) {
        NSLog(@"Accelerometer not available");
        return;
    }
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    [self.motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:queue withHandler:^(CMAccelerometerData * _Nullable accelerometerData, NSError * _Nullable error) {
        if (error) {
            NSLog(@"Error: %@", error);
            return;
        }
        
        // 这里将获取到的数据传递给数据处理队列
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            [self processAccelerometerData:accelerometerData];
        });
    }];
}

- (void)processAccelerometerData:(CMAccelerometerData *)data {
    // 这里进行数据处理，例如滤波
    CMAcceleration acceleration = data.acceleration;
    // 简单示例：计算加速度的合力
    double magnitude = sqrt(acceleration.x * acceleration.x + acceleration.y * acceleration.y + acceleration.z * acceleration.z);
    NSLog(@"Acceleration magnitude: %f", magnitude);
}

@end

使用NSOperationQueue获取传感器数据

#import <CoreMotion/CoreMotion.h>

@interface MotionManager : NSObject

@property (nonatomic, strong) CMMotionManager *motionManager;
@property (nonatomic, strong) NSOperationQueue *motionQueue;

@end

@implementation MotionManager

- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
        _motionManager.accelerometerUpdateInterval = 0.1;
        _motionQueue = [[NSOperationQueue alloc] init];
        _motionQueue.maxConcurrentOperationCount = 1; // 确保单线程获取数据
    }
    return self;
}

- (void)startAccelerometerUpdates {
    if (!self.motionManager.isAccelerometerAvailable) {
        NSLog(@"Accelerometer not available");
        return;
    }
    
    NSBlockOperation *operation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        [self.motionManager startAccelerometerUpdates];
        while (self.motionManager.isAccelerometerActive) {
            CMAccelerometerData *data = self.motionManager.accelerometerData;
            if (data) {
                // 这里将获取到的数据传递给数据处理队列
                [self performSelectorInBackground:@selector(processAccelerometerData:) withObject:data];
            }
            [NSThread sleepForTimeInterval:self.motionManager.accelerometerUpdateInterval];
        }
    }];
    
    [self.motionQueue addOperation:operation];
}

- (void)processAccelerometerData:(CMAccelerometerData *)data {
    // 这里进行数据处理，例如滤波
    CMAcceleration acceleration = data.acceleration;
    // 简单示例：计算加速度的合力
    double magnitude = sqrt(acceleration.x * acceleration.x + acceleration.y * acceleration.y + acceleration.z * acceleration.z);
    NSLog(@"Acceleration magnitude: %f", magnitude);
}

@end

避免数据冲突和同步问题

1. 锁机制：在访问共享数据（如存储传感器数据的数组）时，使用NSLock、NSRecursiveLock或@synchronized块来确保同一时间只有一个线程可以访问和修改数据。

NSLock *dataLock = [[NSLock alloc] init];
// 在获取数据时加锁
[dataLock lock];
// 访问和修改共享数据
[dataArray addObject:newData];
[dataLock unlock];

2. 信号量：使用dispatch_semaphore_t来控制对共享资源的访问。

dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 访问共享资源
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

3. 队列同步：使用dispatch_barrier_async在GCD队列中进行同步操作，确保数据的一致性。

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_barrier_async(queue, ^{
    // 进行数据写入或修改操作
});