[轉載]iOS 後臺任務設計指導

原文地址:dxjia.cn/2016/05/26/…

在 上一篇 文章裡介紹了 iOS APP 的狀態切換，其中一個狀態是 Background， 也就是後臺，在這個狀態，程式只被允許執行非常有限的一點點時間，然後就會隨時被掛起，不再執行任何程式碼，但顯然是有應用場景需要不斷地在後臺執行一些任務，比如 音樂播放 APP， 健康記步軟體等。本文就來介紹 iOS 所提供的實現這些場景的技術。

後臺任務分類

首先 Apple 官方為我們界定了 3 類後臺執行任務的場景：

• Background Tasks：APP 在前臺時啟動某項任務，然後在未結束之前突然 切換到了後臺，那麼 APP 可以在切換回撥裡使用某些 API 來繼續向系統請求一些時間來繼續完成這個任務；完成之後通知系統，之後系統會將 APP 掛起；
• Downloading：在後臺啟動從網路下載檔案的任務 – 對於檔案下載，iOS 有專門的機制；
• Specific Backgournd Tasks：應用需要在後臺一直執行程式碼；

這三種型別的後臺任務，在實現時各有不同，下面來一一介紹。

Background Tasks

Apple 文件建議，如果要啟動一個後臺任務（非同步任務），可以使用 API beginBackgroundTaskWithExpirationHandler來指定，即使啟動任務的時候，程式是處在前臺的，也沒有關係，當位於前臺時，該方法請求得到的時間是DBL_MAX ，也就是 double 資料型別最大值，你可以認為是無限大，當任務執行過程中 APP 被切換到後臺時，任務還沒有完成，這個時間又會自動調整為一個時間片段（具體多少我沒找到文件說明，都是說可以通過backgroundTimeRemaining屬性得到）。需要注意的是， 這個方法是成對使用的，對於一個固定 task ，每次呼叫 beginBackgroundTaskWithExpirationHandler，都會產生一個 token 值(UIBackgroundTaskIdentifier實際是個整型)，必須在任務執行結束時，呼叫 endBackgroundTask並傳遞這個 token，來結束後臺任務。另外，作為最佳實踐，都應該傳遞一個 超時 handler，以防申請到的時間片段內，還是沒能完成任務的話，做最後的清理和標註工作！如果不傳的話，那麼結果就是 iOS 直接 kill 掉你的APP，閃退咯，因為它覺得我們騙了它嘛，哈哈。。。下面是一段在進入後臺時啟動非同步任務的例子；

// 在某處定義一個 token 變數
UIBackgroundTaskIdentifier _bgTaskToken;

// 進入後臺 委派方法回撥 
- (void)applicationDidEnterBackground:(UIApplication *)application
{
    _bgTaskToken = [application beginBackgroundTaskWithName:@"MyTask" expirationHandler:^{
        // 時間到了，任務還沒完成，只能清理
        ...
        // 取消後臺任務
        [application endBackgroundTask:_bgTaskToken];
        _bgTaskToken = UIBackgroundTaskInvalid;
    }];
 
    // 非同步啟動任務，這樣不會阻塞 本委派方法回撥
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        // 巴拉巴拉，做自己的任務
        ...
        
        // 任務在時間限制內結束啦，取消後臺任務 
        [application endBackgroundTask:_bgTaskToken];
        _bgTaskToken = UIBackgroundTaskInvalid;
    });
}
複製程式碼

Background Downloading

這類後臺任務，必須使用 iOS 指定的機制才可以，那就是 NSURLSession。使用 NSURLSession 建立的下載任務，會被系統直接在另外一個獨立的系統程式裡進行管理，不會因 APP 進入後臺或掛起等而受到影響，iOS 會統一管理所有的下載任務。並且，即使你的 APP 已經掛掉啦，下載任務還是會繼續，等到下載完成啦，系統會喚起你的 APP 程式，並通知你，但如果是使用者主動殺掉的你的程式，那麼系統會自動取消下載任務。具體使用方法：

• 1, 使用 NSURLSessionConfiguration類的 backgroundSessionConfigurationWithIdentifier方法建立一個 NSURLSessionConfiguration 物件，引數為一個字串，作為一個 token ，完成時會用到，不能為空或 nil；
• 2, 設定上一步建立出的物件的 sessionSendsLaunchEvents屬性為 YES；
• 3, 如果開啟下載任務時，是位於前臺的，將 discretionary屬性也設定為 YES；
• 4, 設定你需要的其他屬性值；
• 5，使用配置好的 NSURLSessionConfiguration物件，作為引數，建立 NSURLSession例項物件；
• 6，使用 NSURLSession開始下載task，這個這裡不細講啦，需要看 《URL Session Programming Guide》;

如果在下載完成之前，你的APP已經掛起或者死掉啦，那麼當系統完成下載之後，系統會喚醒你的 APP，並回撥 你的 app 委託方法 application:handleEventsForBackgroundURLSession:completionHandler:，在這其中，引數會傳進來一個 token，這個就是你第一步裡 傳入的 字串，使用這個 字串，再重新建立一個 NSURLSessionConfiguration，並進行與開始任務之前一樣的配置，那麼就可以使用這些物件來獲取已經完成的任務的詳細情況了。

Background Long-Running Tasks

在 iOS 裡只有特定的一些應用型別才會被允許可以在後臺一直執行，APP 必須顯式的宣告一些特定許可權，才可以在後臺進行長時間執行而不被掛起。一些應用型別有 6 種：

• 需要在後臺播放音訊 – 如 Music Player；
• 需要在後臺錄音；
• 在後臺時也需要不斷通知使用者位置變動的，比如導航；
• 支援 VoIP 電話的 – 如 skype 網路電話；
• 需要在後臺有規律的下載和處理網路內容的；
• 在後臺有規律的從其他外設(第三方配件)獲取並更新資料的；

要實現這些型別服務的 APP，需要進行專門的宣告，這樣系統才會採取相應的操作。 先來看看怎麼宣告。

宣告後臺服務型別

通過 XCode 的 project setting 裡就可以配置型別，選擇之後會自動 在你 工程的 Info.plist 檔案裡 增加 UIBackgroundModes鍵值對；一個 APP 可以同時宣告多種支援的後臺長期任務型別，在 XCode 裡勾選上即可；下表給出了所有 在 XCode 可選的 型別 及 具體含義；

Xcode background mode	UIBackgroundModes 值	描述
Audio and AirPlay	audio	應用可以在後臺播放或錄製音訊，包括 Apple 自家的 AirPlay 流媒體音視訊；對於錄製，需要在APP 第一次執行時，使用者授予許可權才可進行。
Location updates	location	APP 不斷更新 GPS 位置資訊，並通知給使用者，即使 APP 處於後臺
Voice over IP	voip	APP 提供通過網路連線來打電話的功能
Newsstand downloads	newsstand-content	雜誌應用，可以在後臺下載雜誌並處理
External accessory communication	external-accessory	一些外設控制 APP， 比如一些控制 第三方 MFI 配件的應用，宣告這種 型別，可以讓APP 在後臺不斷的與 外設進行溝通
Uses Bluetooth LE accessories	bluetooth-central	iPhone 作為藍芽中心裝置使用，也就是做為 server；需要在後臺不斷更新藍芽狀態的
Acts as a Bluetooth LE accessory	bluetooth-peripheral	iPhone 作為藍芽外圍裝置使用，也就是做 client，需要在後臺不斷的訪問其他藍芽裝置獲取資料的
Background fetch	fetch	APP 需要在後臺不斷地 頻繁有規律的從網路獲取資料
Remote notifications	remote-notification	APP 先在後臺關注某個 push 推送，但這個 push 推送到達的時候，及時在後臺開始對應的下載任務，以儘可能減少使用者直接點開 通知 後 檢視內容的等待時間

Playing and Recording Background Audio

一些典型的應用例子：

• 音樂播放軟體
• 錄音APP
• 支援 AirPlay 音視訊播放的APP
• 網路通話軟體

當你在 Info.plist 裡宣告瞭 UIBackgroundModes為 audio的時候，在後臺進行 audio 的相關操作時，系統 audio API 會自動阻止系統將你的 APP 程式掛起，所以不需要 APP 自己再進行其他額外的處理，只需要處理自己的軟體邏輯即可。 【Note】：手機上是有可能會有多個 APP 同時擁有後臺 audio 操作許可權的，這時候系統會根據 每個 APP 開始操作音訊時的 audio session 配置來決定如何進行操作，而且你應該非常小心的處理一些中斷事件，如來電，其他系統提示音等，這些都有相關的 API 和機制，可以參考 《Audio Session Programming Guide》

Tracking the User’s Location

有三種方式來實現 位置的訪問：

• The significant-change location service（這也是官方推薦的方式）
• Foreground-only location services
• Background location services

前兩種都不需要在 Info.plist 裡宣告 UIBackgroundModes，只有最後一種需要。 The significant-change location service，字面理解，就是隻有位置有變化時才會發出通知，有人說這個時機是依據基站，切換了基站時，就會發出一次通知，所以頻率會受基站的密度影響，所以市區更新頻率會比郊區高。但好處是這個服務不管你的 APP 是在前臺還是後臺，不管是否已經被掛起，或已經死掉了，他都會喚醒你的程式進行相應處理，所以應該是最省電的。 後兩種都是標準的定位服務，只不過一個只能工作在前臺，而一個可以在後臺工作；【Note】：官方對於使用後臺定位服務的 APP 稽核是非常嚴格的，所以使用時一定要小心，並提供足夠的說明和解釋。 至於如何實現一個定位 APP ，請看 《Location and Maps Programming Guide 》

Implementing a VoIP App

iOS8之前: 網路通話軟體，skype 就是其中一個。這樣的軟體使用 internet 連線來進行語音通話，為了提供健全的電話功能，這類軟體必須一直保持一個長期的網路連線，以便監聽到來電。實現類似的功能，APP 自己並非一直在後臺不被掛起，而是交由系統監聽 網路連線，有資料進來時，系統會喚醒 APP，並將 socket 轉交給 APP 進行處理；大致步驟： 在 Info.plist 裡進行UIBackgroundModes配置；

• 配置一個 socket 連線用於 VoIP；
• 在進入後臺時，呼叫 setKeepAliveTimeout:handler:
• 方法傳遞一個回撥，用來處理事件；
• 配置要使用到的 audio session；

【Note】：貌似對於 VoIP 的實現， iOS 8 有變化，改為使用 remote notification 的方式來做啦，誰說 iOS 沒有碎片化的啊，有！具體實現請參考 Tips for Developing a VoIP App 簡單說就是伺服器發個特殊的通知,系統喚醒app來處理,連socket都不用保留了.

Downloading Newsstand Content in the Background

雜誌應用，居然還有專門的處理。但我看介紹，跟前面講解的 後臺下載檔案沒啥區別啊！！另外好像也是用 通知推送 觸發啊。About Newsstand Kit Framework

Communicating with an External Accessory

外設裝置有很多，比如一些心率監控器，會在必要的時候向手機推送資料。宣告瞭UIBackgroundModes為 external-accessory 後，系統就不會主動關閉 APP 與 外設之間的連線，而是替 APP 監視這個連線，但有資料過來時，會喚醒 APP 進行處理，每次喚醒 APP 只有 10 S鍾時間進行資料處理，所以應當越快越好，萬不得已，如果10S不夠，需要使用 beginBackgroundTaskWithExpirationHandler:方法再申請一段時間進行處理； 【Note】：Apple 要求此類應用 需要提供一個 開啟 和 關閉 連線的介面供使用者使用；

Communicating with a Bluetooth Accessory

類似上一節的 配件，如果心率監控器跟 手機之間使用的連線方式是藍芽，那麼就一模一樣啦，連 喚醒的時間限制都一樣，都是 10 S ！！！略啦。。。

Fetching Small Amounts of Content Opportunistically

有人依靠這種手段來實現後臺永存，但現在不好使啦，除非你是真的每次都在下載東西，而且每次時間都很短。使用者的流量啊。因為宣告瞭這個 mode 之後，並不保證 系統一定會給你分配時間來執行後臺任務，因為它自己有一套邏輯，如果你經常性喚醒，但卻每次都耗時很久，又沒有做從網路下載東西的操作，那麼以後你被分配給喚醒的機率就會越來越小。另外還有稽核！！！！ 正常情況下，宣告瞭這個型別之後，系統在你的 APP 進入後臺後，會間隔性的給機會將你的 APP 喚醒，並回撥你的 委託方法 application:performFetchWithCompletionHandler:，你需要在這個回撥裡檢查是否有新內容可用，如果有，就開啟後臺下載，推薦使用 NSURLSession來建立，下載完成後，你必須呼叫這個方法出入 的 completionHandler並傳入一個 整型值 來表示 你的處理是否正常，UI是否已經更新，讓系統來決定更新 snapshot等；

Using Push Notifications to Initiate a Download

這個方式，是你的應用中包含通知功能時，你在服務端推送的通知內容里加入 鍵值對 content-available= 1，那麼 手機收到這個通知後，會自動啟動 APP 到後臺，或 喚醒（依舊保持後臺執行），並回撥 委託方法 application:didReceiveRemoteNotification:fetchCompletionHandler:，在這個方法裡進行內容下載。 【Note】：需要服務端推送配合

哪些情況系統會喚醒掛起程式

當一些特定事件發生時，系統會喚醒已經被掛起的程式，轉換到後臺執行狀態，這些事件針對不同型別的APP 有所不同：

location apps

• 系統產生了符合 APP 配置的定位要求的位置更新；
• 裝置進入或離開了一個網路註冊的區域，你可以理解為基站；

audio apps

• audio framework 需要 app 處理資料的時候–任何 播放、錄製；

Bluetooth apps

• 當手機扮演中心裝置時，收到了其他藍芽裝置發來的資料；
• 當手機扮演外圍裝置時，收到了藍芽服務端發來的資料；

background download apps

• 本應用的一個包含 content-available= 1的推送通知到達了手機； background fetch 型別，系統給予了 APP 喚醒的機會；
• 使用 NSURLSession進行後臺下載的APP，在下載過程完成或出現問題時，系統會主動喚醒對應 APP；
• 雜誌應用，下載完成時喚醒 APP；

【Note】：絕大多數情況下，系統不會重啟被使用者手動強制關閉的 APP，但在 iOS 8 之後， location apps 是個例外。其他的所有被使用者手動強制關閉的APP 都不會被系統主動喚起，直到 使用者再次 主動啟動這個 APP，或者手機重啟並在使用者輸入瞭解鎖密碼之後才會恢復機制。

做一個盡責的後臺APP

• Apple 教育我們，如果你要實現一個後臺 APP，應該做一個有責任的APP，不要亂搞，哈哈。
• 不要在後臺呼叫任何 OpenGL ES 介面，在進入後臺之前也要保證這些呼叫都已結束，否則你的 APP 將直接被 kill；
• 取消所有 Bonjour相關的操作，還不清楚這個是啥東西，不過 Apple 說即使你不取消，它在把你掛起之前也會都給你取消；
• 如果有網路操作，做好容錯處理；
• 儲存 APP 狀態，進入後臺前持久化一些資料，以便恢復；
• 儘可能多的釋放記憶體，尤其是強引用；
• 停止使用共享的系統資源，比如 電話本，日曆等，進入後臺前，release他們；
• 不要在後臺進行 UI 的更新操作；
• 做好對外設配件的 連線 和斷開 事件的響應；這個是 外設程式設計的機制啦，需要 參考 External Accessory Programming Topics ；
• 關閉彈出視窗和彈出選單等；
• 移除視窗上的一些敏感資訊；
• 在後臺的執行儘可能小的任務；

最後， Apple 建議能不後臺就不後臺，那當然。。。

Reference

[1] App Programming Guide for iOS - Background Execution