Runloop原理分析

作者: sun_glory | 来源:发表于2020-04-30 17:14 被阅读0次

一般来讲，一个线程一次只能执行一个任务，执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制，让线程能随时处理事件但并不退出，通常的代码逻辑是这样的：

do {
   //获取消息
   //处理消息
} while (消息 ！= 退出)

这种模型通常被称作 Event Loop 。实现这种模型的关键点在于：如何管理事件/消息，如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。

所以，RunLoop 实际上就是一个对象，这个对象管理了其需要处理的事件和消息，并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后，就会一直处于这个函数内部 “接受消息->等待->处理” 的循环中，直到这个循环结束（比如传入 quit 的消息），函数返回。

以iOS 程序的 main 函数为例：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"main start");
        int re = UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
        NSLog(@"main stop");
        return re;
    }
}

main 函数是程序的入口，那么为什么程序执行完毕后没有退出呢？因为 RunLoop，使线程循环，能够随时处理事件但并不退出。上面代码中 UIApplicationMain()方法在这里不仅完成了初始化我们的程序并设置程序 Delegate 的任务，而且随之开启了主线程的 RunLoop，开始接受处理事件。这样我们的应用就可以在无人操作的时候休息，需要让它干活的时候又能立马响应。

OSX/iOS 系统中，提供了两个这样的对象： NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。
CFRunLoopRef是在 CoreFoundation`` 框架内的，它提供了纯 C 函数的 API，所有这些 API 都是线程安全的。NSRunLoop是基于CFRunLoopRef``` 的封装，提供了面向对象的 API，但是这些 API 不是线程安全的。

CFRunLoopRef的代码是开源的，可以点击下载到整个 CoreFoundation 的源码来查看。http://opensource.apple.com/tarballs/CF/

RunLoop大致内部结构:

struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set
    ...
};

RunLoop 机制关系图总览：

RunLoop与线程的关系

苹果不允许直接创建 RunLoop，提供了两个获取函数，CFRunLoopRef 的获取方法为CFRunLoopGetMain()， CFRunLoopGetCurrent()。NSRunLoop 的获取方法是 currentRunLoop,mainRunLoop。NSRunLoop 对象可以通过 getCFRunLoop 方法获得 CFRunLoopRef 对象。CFRunLoopRef 的内部逻辑如下：

/// 全局的 Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;

/// 获取一个 pthread 对应的 Run Loop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);

    if (!loopsDic) {
        // 第一次进入时，初始化全局Dic，并先为主线程创建一个 Run Loop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }

    /// 直接从 Dictionary 里获取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));

    if (!loop) {
        /// 取不到时，创建一个
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注册一个回调，当线程销毁时，顺便也销毁其对应的 Run Loop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }

    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

从上面的代码可以看出，线程和 RunLoop 之间是一一对应的(这也就解释了前面关系图中 CFRunLoop 和 Thread 连线中的两个1的意义)，其关系是保存在一个全局的 Dictionary 里。线程刚创建时并没有 RunLoop，如果你不主动获取，那它一直都不会有，所以一个子线程，你想要它有 RunLoop 就必须在该线程内调用 NSRunLoop *runLoop =[NSRunLoop currentRunLoop]。如果你想启动这个 RunLoop，则要继续调用[runLoop run]。但是注意，一般不需要开启子线程的 runLoop，因为这会让子线程一直存在，不会回收。RunLoop 的创建是发生在第一次获取时，RunLoop 的销毁是发生在线程结束时。你只能在一个线程的内部获取其 RunLoop（主线程除外）。

RunLoop主要组成

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef
他们之间的关系如下图：
一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。每次调用 RunLoop 的主函数时，只能指定其中一个 Mode，这个Mode被称作 CurrentMode。如果需要切换 Mode，只能退出 Loop，再重新指定一个 Mode 进入。这样做主要是为了分隔开不同组的 Source/Timer/Observer，让其互不影响。

CFRunLoopMode

CFRunLoopMode 结构大致如下：

struct __CFRunLoopMode {
CFStringRef _name; // mode名称
CFMutableSetRef _sources0; // sources0
CFMutableSetRef _sources1; // sources1
CFMutableArrayRef _observers; // 通知
CFMutableArrayRef _timers; // 定时器
__CFPortSet _portSet; // 保存所有需要监听的port，比如 _wakeUpPort，_timerPort都保存在这个数组中
};

一个CFRunLoopMode对象有一个name，若干source0、source1、timer、observer和若干port，事件都是由Mode在管理，而RunLoop管理Mode。

Runloop中有个概念叫 CommonModes：一个 Mode 可以将自己标记为Common属性（通过将其 ModeName 添加到 RunLoop 的 commonModes 中）。每当 RunLoop 的内容发生变化时，RunLoop 都会自动将 _commonModeItems里的Source/Observer/Timer 同步到具有 Common 标记的所有Mode里。

应用场景举例：主线程的 RunLoop 里有两个预置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。这两个 Mode都已经被标记为Common属性。DefaultMode 是 App 平时所处的状态，TrackingRunLoopMode 是追踪 ScrollView 滑动时的状态。当你创建一个Timer 并加到DefaultMode 时，Timer 会得到重复回调，但此时滑动一个TableView时，RunLoop 会将 mode 切换为 TrackingRunLoopMode，这时 Timer就不会被回调，并且也不会影响到滑动操作。

如果需要一个Timer，在两个 Mode中都能得到回调，一种办法就是将这个Timer分别加入这两个Mode。还有一种方式，就是将 Timer 加入到顶层的 RunLoop 的 commonModeItems 中。commonModeItems 被 RunLoop 自动更新到所有具有Common属性的 Mode 里去。

CFRunLoopSource

Source0 ：
处理App内部事件、App自己负责管理（触发），如UIEvent。source0是非基于Port的。只包含了一个回调（函数指针），它并不能主动触发事件。使用时，你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop)来唤醒 RunLoop，让其处理这个事件。

Source1 ：由RunLoop和内核管理，Mach port驱动，如CFMachPort、CFMessagePort。
包含了一个 mach_port 和一个回调（函数指针），被用于通过内核和其他线程相互发送消息。这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程。

CFRunLoopTimer

是基于时间的触发器，基本上说的就是NSTimer，它受RunLoop的Mode影响，当其加入到 RunLoop 时，RunLoop会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调。如果线程阻塞或者不在这个Mode下，触发点将不会执行，一直等到下一个周期时间点触发。

CFRunLoopObserver

CFRunLoopObserverRef是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：

kCFRunLoopEntry = (1 << 0), // 即将进入Loop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1 << 1), // 即将处理 Timer
kCFRunLoopBeforeSources = (1 << 2), // 即将处理 Source
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1 << 5), // 即将进入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1 << 6), // 刚从休眠中唤醒
kCFRunLoopExit = (1 << 7), // 即将退出Loop
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU // 包含上面所有状态

RunLoop 的内部逻辑

RunLoop 内部的逻辑大致如下:

其内部代码整理如下:

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}

/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}

/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {

    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;

    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);

    /// 内部函数，进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {

        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {

            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }

            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }

            /// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            /// • 一个基于 port 的Source 的事件。
            /// • 一个 Timer 到时间了
            /// • RunLoop 自身的超时时间到了
            /// • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }

            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);

            /// 收到消息，处理消息。
            handle_msg:

            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 

            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 

            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }

            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);


            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }

            /// 如果没超时，mode里没空，loop也没被停止，那继续loop。
        } while (retVal == 0);
    }

    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到，实际上 RunLoop 就是这样一个函数，其内部是一个 do-while 循环。当你调用 CFRunLoopRun() 时，线程就会一直停留在这个循环里；直到超时或被手动停止，该函数才会返回。

应用实例

AutoreleasePool
App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer。
第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush()创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。
第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop()和 _objc_autoreleasePoolPush()释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。
在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏。
PerformSelecter
当调用 NSObject 的performSelecter:afterDelay:后，实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop，则这个方法会失效。
当调用 performSelector:onThread: 时，实际上其会创建一个 Timer加到对应的线程去，同样的，如果对应线程没有RunLoop 该方法也会失效。

Runloop原理分析

RunLoop与线程的关系

RunLoop主要组成

CFRunLoopMode

CFRunLoopSource

CFRunLoopTimer

CFRunLoopObserver

RunLoop 的内部逻辑

应用实例

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