iOS 后台任务设计指导

上一篇 文章里介绍了 iOS APP 的状态切换,其中一个状态是 Background , 也就是后台,在这个状态,程序只被允许执行非常有限的一点点时间,然后就会随时被挂起,不再执行任何代码,但显然是有应用场景需要不断地在后台执行一些任务,比如 音乐播放 APP, 健康记步软件等。本文就来介绍 iOS 所提供的实现这些场景的技术。

后台任务分类

首先 Apple 官方为我们界定了 3 类后台执行任务的场景:

  • Background Tasks:APP 在前台时启动某项任务,然后在未结束之前突然 切换到了后台,那么 APP 可以在切换回调里使用某些 API 来继续向系统请求一些时间来继续完成这个任务;完成之后通知系统,之后系统会将 APP 挂起;
  • Downloading:在后台启动从网络下载文件的任务 – 对于文件下载,iOS 有专门的机制;
  • Specific Backgournd Tasks:应用需要在后台一直执行代码;

这三种类型的后台任务,在实现时各有不同,下面来一一介绍。

Background Tasks

Apple 文档建议,如果要启动一个后台任务(异步任务),可以使用 API beginBackgroundTaskWithExpirationHandler来指定,即使启动任务的时候,程序是处在前台的,也没有关系,当位于前台时,该方法请求得到的时间是DBL_MAX,也就是 double 数据类型最大值,你可以认为是无限大,当任务执行过程中 APP 被切换到后台时,任务还没有完成,这个时间又会自动调整为一个时间片段(具体多少我没找到文档说明,都是说可以通过backgroundTimeRemaining 属性得到)。需要注意的是, 这个方法是成对使用的,对于一个固定 task ,每次调用 beginBackgroundTaskWithExpirationHandler,都会产生一个 token 值(UIBackgroundTaskIdentifier 实际是个整型),必须在任务执行结束时,调用 endBackgroundTask 并传递这个 token,来结束后台任务。另外,作为最佳实践,都应该传递一个 超时 handler,以防申请到的时间片段内,还是没能完成任务的话,做最后的清理和标注工作!如果不传的话,那么结果就是 iOS 直接 kill 掉你的APP,闪退咯,因为它觉得我们骗了它嘛,哈哈。。。
下面是一段在进入后台时启动异步任务的例子;

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// 在某处定义一个 token 变量
UIBackgroundTaskIdentifier _bgTaskToken;

// 进入后台 委派方法回调
- (void)applicationDidEnterBackground:(UIApplication *)application
{
_bgTaskToken = [application beginBackgroundTaskWithName:@"MyTask" expirationHandler:^{
// 时间到了,任务还没完成,只能清理
...
// 取消后台任务
[application endBackgroundTask:_bgTaskToken];
_bgTaskToken = UIBackgroundTaskInvalid;
}];

// 异步启动任务,这样不会阻塞 本委派方法回调
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
// 巴拉巴拉,做自己的任务
...

// 任务在时间限制内结束啦,取消后台任务
[application endBackgroundTask:_bgTaskToken];
_bgTaskToken = UIBackgroundTaskInvalid;
});
}

Background Downloading

这类后台任务,必须使用 iOS 指定的机制才可以,那就是 NSURLSession。使用 NSURLSession 建立的下载任务,会被系统直接在另外一个独立的系统进程里进行管理,不会因 APP 进入后台或挂起等而受到影响,iOS 会统一管理所有的下载任务。并且,即使你的 APP 已经挂掉啦,下载任务还是会继续,等到下载完成啦,系统会唤起你的 APP 进程,并通知你,但如果是用户主动杀掉的你的进程,那么系统会自动取消下载任务。
具体使用方法:

  • 1, 使用 NSURLSessionConfiguration 类的 backgroundSessionConfigurationWithIdentifier 方法创建一个 NSURLSessionConfiguration 对象,参数为一个字符串,作为一个 token ,完成时会用到,不能为空或 nil;
  • 2, 设置上一步创建出的对象的 sessionSendsLaunchEvents 属性为 YES
  • 3, 如果开启下载任务时,是位于前台的,将 discretionary 属性也设置为 YES
  • 4, 设置你需要的其他属性值;
  • 5,使用配置好的 NSURLSessionConfiguration 对象,作为参数,创建 NSURLSession 实例对象;
  • 6,使用 NSURLSession 开始下载task,这个这里不细讲啦,需要看 《URL Session Programming Guide》 ;

如果在下载完成之前,你的APP已经挂起或者死掉啦,那么当系统完成下载之后,系统会唤醒你的 APP,并回调 你的 app 委托方法 application:handleEventsForBackgroundURLSession:completionHandler:,在这其中,参数会传进来一个 token,这个就是你第一步里 传入的 字符串,使用这个 字符串,再重新创建一个 NSURLSessionConfiguration,并进行与开始任务之前一样的配置,那么就可以使用这些对象来获取已经完成的任务的详细情况了。

Background Long-Running Tasks

在 iOS 里只有特定的一些应用类型才会被允许可以在后台一直运行,APP 必须显式的声明一些特定权限,才可以在后台进行长时间运行而不被挂起。
一些应用类型有 6 种:

  • 需要在后台播放音频 – 如 Music Player;
  • 需要在后台录音;
  • 在后台时也需要不断通知用户位置变动的,比如导航;
  • 支持 VoIP 电话的 – 如 skype 网络电话;
  • 需要在后台有规律的下载和处理网络内容的;
  • 在后台有规律的从其他外设(第三方配件)获取并更新数据的;

要实现这些类型服务的 APP,需要进行专门的声明,这样系统才会采取相应的操作。

先来看看怎么声明。

声明后台服务类型

通过 XCode 的 project setting 里就可以配置类型,选择之后会自动 在你 工程的 Info.plist 文件里 增加 UIBackgroundModes 键值对;一个 APP 可以同时声明多种支持的后台长期任务类型,在 XCode 里勾选上即可;
下表给出了所有 在 XCode 可选的 类型 及 具体含义;

Xcode background mode UIBackgroundModes 值 描述
Audio and AirPlay audio 应用可以在后台播放或录制音频,包括 Apple 自家的 AirPlay 流媒体音视频;对于录制,需要在APP 第一次运行时,用户授予权限才可进行。
Location updates location APP 不断更新 GPS 位置信息,并通知给用户,即使 APP 处于后台
Voice over IP voip APP 提供通过网络连接来打电话的功能
Newsstand downloads newsstand-content 杂志应用,可以在后台下载杂志并处理
External accessory communication external-accessory 一些外设控制 APP, 比如一些控制 第三方 MFI 配件的应用,声明这种 类型,可以让APP 在后台不断的与 外设进行沟通
Uses Bluetooth LE accessories bluetooth-central iPhone 作为蓝牙中心设备使用,也就是做为 server;需要在后台不断更新蓝牙状态的
Acts as a Bluetooth LE accessory bluetooth-peripheral iPhone 作为蓝牙外围设备使用,也就是做 client,需要在后台不断的访问其他蓝牙设备获取数据的
Background fetch fetch APP 需要在后台不断地 频繁有规律的从网络获取数据
Remote notifications remote-notification APP 先在后台关注某个 push 推送,但这个 push 推送到达的时候,及时在后台开始对应的下载任务,以尽可能减少用户直接点开 通知 后 查看内容的等待时间

Playing and Recording Background Audio

一些典型的应用例子:

  • 音乐播放软件
  • 录音APP
  • 支持 AirPlay 音视频播放的APP
  • 网络通话软件

当你在 Info.plist 里声明了 UIBackgroundModesaudio 的时候,在后台进行 audio 的相关操作时,系统 audio API 会自动阻止系统将你的 APP 进程挂起,所以不需要 APP 自己再进行其他额外的处理,只需要处理自己的软件逻辑即可。

【Note】:手机上是有可能会有多个 APP 同时拥有后台 audio 操作权限的,这时候系统会根据 每个 APP 开始操作音频时的 audio session 配置来决定如何进行操作,而且你应该非常小心的处理一些中断事件,如来电,其他系统提示音等,这些都有相关的 API 和机制,可以参考 《Audio Session Programming Guide》

Tracking the User’s Location

有三种方式来实现 位置的访问:

  • The significant-change location service(这也是官方推荐的方式)
  • Foreground-only location services
  • Background location services

前两种都不需要在 Info.plist 里声明 UIBackgroundModes ,只有最后一种需要。

The significant-change location service ,字面理解,就是只有位置有变化时才会发出通知,有人说这个时机是依据基站,切换了基站时,就会发出一次通知,所以频率会受基站的密度影响,所以市区更新频率会比郊区高。但好处 是这个服务不管你的 APP 是在前台还是后台,不管是否已经被挂起,或已经死掉了,他都会唤醒你的进程进行相应处理,所以应该是最省电的。

后两种都是标准的定位服务,只不过一个只能工作在前台,而一个可以在后台工作;
【Note】:官方对于使用后台定位服务的 APP 审核是非常严格的,所以使用时一定要小心,并提供足够的说明和解释。

至于如何实现一个定位 APP ,请看 《Location and Maps Programming Guide 》

Implementing a VoIP App

网络通话软件,skype 就是其中一个。这样的软件使用 internet 连接来进行语音通话,为了提供健全的电话功能,这类软件必须一直保持一个长期的网络连接,以便监听到来电。实现类似的功能,APP 自己并非一直在后台不被挂起,而是交由系统监听 网络连接,有数据进来时,系统会唤醒 APP,并将 socket 转交给 APP 进行处理;
大致步骤:

  • 在 Info.plist 里进行UIBackgroundModes配置;
  • 配置一个 socket 连接用于 VoIP;
  • 在进入后台时,调用 setKeepAliveTimeout:handler:方法传递一个回调,用来处理事件;
  • 配置要使用到的 audio session;

【Note】:貌似对于 VoIP 的实现, iOS 8 有变化,改为使用 remote notification 的方式来做啦,谁说 iOS 没有碎片化的啊,有!具体实现请参考 Tips for Developing a VoIP App

Downloading Newsstand Content in the Background

杂志应用,居然还有专门的处理。但我看介绍,跟前面讲解的 后台下载文件没啥区别啊!!另外好像也是用 通知推送 触发啊。About Newsstand Kit Framework

Communicating with an External Accessory

外设设备有很多,比如一些心率监控器,会在必要的时候向手机推送数据。声明了UIBackgroundModesexternal-accessory 后,系统就不会主动关闭 APP 与 外设之间的连接,而是替 APP 监视这个连接,但有数据过来时,会唤醒 APP 进行处理,每次唤醒 APP 只有 10 S 种时间进行数据处理,所以应当越快越好,万不得已,如果10S不够,需要使用 beginBackgroundTaskWithExpirationHandler: 方法再申请一段时间进行处理;
【Note】:Apple 要求此类应用 需要提供一个 开启 和 关闭 连接的界面供用户使用;

Communicating with a Bluetooth Accessory

类似上一节的 配件,如果心率监控器跟 手机之间使用的连接方式是蓝牙,那么就一模一样啦,连 唤醒的时间限制都一样,都是 10 S!!!略啦。。。

Fetching Small Amounts of Content Opportunistically

有人依靠这种手段来实现后台永存,但现在不好使啦,除非你是真的每次都在下载东西,而且每次时间都很短。用户的流量啊。因为声明了这个 mode 之后,并不保证 系统一定会给你分配时间来执行后台任务,因为它自己有一套逻辑,如果你经常性唤醒,但却每次都耗时很久,又没有做从网络下载东西的操作,那么以后你被分配给唤醒的几率就会越来越小。另外还有审核!!!!

正常情况下,声明了这个类型之后,系统在你的 APP 进入后台后,会间隔性的给机会将你的 APP 唤醒,并回调你的 委托方法 application:performFetchWithCompletionHandler:,你需要在这个回调里检查是否有新内容可用,如果有,就开启后台下载,推荐使用 NSURLSession 来建立,下载完成后,你必须调用这个方法出入 的 completionHandler 并传入一个 整型值 来表示 你的处理是否正常,UI是否已经更新,让系统来决定更新 snapshot等;

Using Push Notifications to Initiate a Download

这个方式,是你的应用中包含通知功能时,你在服务端推送的通知内容里加入 键值对 content-available = 1 ,那么 手机收到这个通知后,会自动启动 APP 到后台,或 唤醒(依旧保持后台执行),并回调 委托方法 application:didReceiveRemoteNotification:fetchCompletionHandler: ,在这个方法里进行内容下载。

【Note】:需要服务端推送配合

哪些情况系统会唤醒挂起进程

当一些特定事件发生时,系统会唤醒已经被挂起的进程,转换到后台运行状态,这些事件针对不同类型的APP 有所不同:

location apps

  • 系统产生了符合 APP 配置的定位要求的位置更新;
  • 设备进入或离开了一个网络注册的区域,你可以理解为基站;

    audio apps

  • audio framework 需要 app 处理数据的时候–任何 播放、录制;

    Bluetooth apps

  • 当手机扮演中心设备时,收到了其他蓝牙设备发来的数据;
  • 当手机扮演外围设备时,收到了蓝牙服务端发来的数据;

    background download apps

  • 本应用的一个包含 content-available = 1 的推送通知到达了手机;
  • background fetch 类型,系统给予了 APP 唤醒的机会;
  • 使用 NSURLSession 进行后台下载的APP,在下载过程完成或出现问题时,系统会主动唤醒对应 APP;
  • 杂志应用,下载完成时唤醒 APP;

【Note】:绝大多数情况下,系统不会重启被用户手动强制关闭的 APP,但在 iOS 8 之后, location apps 是个例外。其他的所有被用户手动强制关闭的APP 都不会被系统主动唤起,直到 用户再次 主动启动这个 APP,或者手机重启并在用户输入了解锁密码之后才会恢复机制。

做一个尽责的后台APP

Apple 教育我们,如果你要实现一个后台 APP,应该做一个有责任的APP,不要乱搞,哈哈。

  • 不要在后台调用任何 OpenGL ES 接口,在进入后台之前也要保证这些调用都已结束,否则你的 APP 将直接被 kill;
  • 取消所有 Bonjour 相关的操作,还不清楚这个是啥东西,不过 Apple 说即使你不取消,它在把你挂起之前也会都给你取消;
  • 如果有网络操作,做好容错处理;
  • 保存 APP 状态,进入后台前持久化一些数据,以便恢复;
  • 尽可能多的释放内存,尤其是强引用;
  • 停止使用共享的系统资源,比如 电话本,日历等,进入后台前,release他们;
  • 不要在后台进行 UI 的更新操作;
  • 做好对外设配件的 连接 和断开 事件的响应;这个是 外设编程的机制啦,需要 参考 External Accessory Programming Topics
  • 关闭弹出窗口和弹出菜单等;
  • 移除窗口上的一些敏感信息;
  • 在后台的执行尽可能小的任务;

最后, Apple 建议能不后台就不后台,那当然。。。

Reference

[1] App Programming Guide for iOS - Background Execution