RunLoop原理学习

作者: 小李不木 | 来源:发表于2020-04-11 16:57 被阅读0次

iOS 中RunLoop 是一个事件循环对象

runloop 跑一圈，只能执行一个事件。

一般一个线程执行任务完成后线程就会退出。如果需要在这个线程里多次执行任务，可能就会不停的创建，销毁线程，这样CPU消耗很大。如果可以让线程不退出并且能随时处理事件：

do {

//接受消息->等待->处理

} while(message != quit)

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。

当启动一个iOS APP时主线程对应的RunLoop被主动开启。如果不杀掉APP则APP一直运行，就是因为RunLoop保证主线程不会被销毁。保证线程不退出。

RunLoop在循环过程中监听事件，当前线程有任务时，唤醒线程执行任务，任务执行完成以后，使当前线程进入休眠状态。当然这里的休眠不同于自己写的死循环(while(1);)，它在休眠时几乎不会占用系统资源，是由操作系统内核负责实现的。

CFRunLoopRef & NSRunLoop

CoreFoundation 框架为 CFRunLoopRef 对象，它提供了纯 C 函数的 API，是线程安全的；

Foundation 框架中用 NSRunLoop 对象，是基于 CFRunLoopRef 的封装，提供面向对象的 API，不是线程安全的。要避免在其他线程上调用当前线程的RunLoop

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。只能在一个线程的内部获取其 RunLoop（主线程除外）。

CFRunLoopModeRef

1. 一个Runloop对应一条线程，一一对应，以线程作为key, runloop 作为value 存在在一个全局字典中。

2. 一个runloop里面可以有多个CFRunLoopMode (模式），每一个mode又可以包含多个 source/timer/observer。

3. 每次调用 RunLoop 时，只能指定其中一个 Mode，这个Mode被称作 CurrentMode。

注意：如果需要切换 Mode，只能退出 RunLoop，再重新指定一个 Mode 进入。是为了分隔开不同mode下的 Source/Timer/Observer，让其互不影响

4. 一个 RunLoop 在某个 mode 下运行时，不会接收和处理其他 mode 的事件

5. 一个modeitem(Source/Timer/Observer) 可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。

6. 如果runloop 指定运行的 mode 中一个 item 都没有，RunLoop 会直接退出，不进入循环。

kCFRunLoopCommonModes

kCFRunLoopModes

1. CFRunLoop里面有一个 伪mode 叫做 kCFRunLoopCommonModes，它不是一个真正的 mode，而是若干个 mode 的集合（NSSet）。

注意：Run Loop不能在运行在 NSRunLoopCommonModes 模式，它不是一个具体的模式。

2. 一个modeitem(Source/Timer/Observer) 只要加入CommonModes 里面，就相当于添加到了CommonModes 里面所有的 mode 中。

注意：在iOS系统中主线程CommonMode默认包含了 NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode。子线程CommonMode中只包含NSDefaultRunLoopMode。

3. 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)。

// 添加mode 将自定义Model添加到CFRunLoopCommonModes

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);

注意：当 RunLoop 的model 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，（把CommonModes中所有的modelItem 分别加进 CommonModes 集合中的所有model下）。即使RunLoop切换model，modelitem 可以实现在多种model 下执行，不受model 变化的影响。

4. 添加事件源的时候添加到 NSRunLoopCommonModes，只要Run Loop运行在NSRunLoopCommonModes 中任何一个模式，这个事件源都可以被触发

5. 只能通过 mode name 来操作runLoop内部的 mode，当传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时，RunLoop会自动创建对应的 CFRunLoopModeRef。

6. 对于 RunLoop 其内部的 mode 只能增加不能删除。

日常使用场景：

程序应用大部分情况下是处于NSDefaultRunLoopMode状态，只有当scrollView滑动时，主线程RunLoop 会自动切换为UITrackingRunLoopMode状态。

不同的mode 影响到设置的监听者（比如Timer或CADisplayLink）是否会被回调。比如在主线程中，设置Timer为NSDefaultRunLoopMode属性，当应用在滑动时，Timer的方法是不会被回调的，因为滑动过程中，RunLoop会切换为UITrackingRunLoopMode状态，而它只是监听了NSDefaultRunLoopMode状态。只有mainRunLoop才会在滑动时，切换为UITrackingRunLoopMode，子线程中的RunLoop是不会的。

在主线程中设置Timer或CADisplayLink，我们通常都会设置为NSRunLoopCommonModes属性，表示在NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode状态下都会进行监听，避免滑动时，无法回调。

mode的切换，目前无法得知系统是如何进行切换的。从源码中发现的事实，切换的时候，会加锁保证多线程安全，并且有三处切换：

sleep 之前，runloop 可能一觉醒来，发现 mode 已经物是人非。

doMainQueue 之前，执行完 GCD main queue 中的任务后，mode 也能会发生变化。

在 CFRunLoopRunSpecific 函数，也就是 runloop exit 之后。

RunLoop退出的条件

1. app退出，线程关闭，被外部调用强制停止CFRunLoopStop()

2. 设置最大时间到期；kCFRunLoopRunTimedOut

3. modeItem为空；kCFRunLoopRunFinished

4. 参数说处理完事件就返回 kCFRunLoopRunHandledSource，启动Runloop时设置参数为一次性执行

CFRunLoopSourceRef

source 是事件产生的地方（输入源），分为三类，输入源向线程发送异步消息

1. Port-Based Sources: source1 ，基于Port，通过内核和其他线程通信，则是用来接收、分发系统事件，然后再分发到Sources0中处理的

2. Custom Input Sources: 自定义source0 相关，可处理UIKit 的 UIEvent 事件

3. Cocoa Perform Selector Sources: 与PerformSEL方法相关

源码中 source分为：source0和source1，区别在于它们是怎么被标记 (signal) 的。

source0 是 app 内部的消息机制，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 是基于端口的，包含了一个 mach_port 和一个回调（函数指针），用于通过内核和其他线程相互发送消息。监听程序相应的端口，能主动唤醒 RunLoop 的线程.

Run loop处理的输入事件有两种不同的来源：输入源（input source）和定时源（timer source）。输入源传递异步消息，通常来自于其他线程或者程序。定时源则传递同步消息，在特定时间或者一定的时间间隔发生。

PerformSelecter：执行完后会自动清除出run loop。

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，方法会失效。

使用场景：事件响应

苹果注册了一个 Source1 (基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

当一个硬件事件(触摸/锁屏/摇晃等)发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。SpringBoard 只接收按键(锁屏/静音等)，触摸，加速，接近传感器等几种 Event，随后用 mach port 转发给需要的App进程。Source1 会触发回调，并调用 _UIApplicationHandleEventQueue( ) 进行应用内部的分发。

_UIApplicationHandleEventQueue() 会把IOHIDEvent处理并包装成UIEvent进行处理或分发，其中包括识别UIGesture/处理屏幕旋转/发送给UIWindow等。通常事件比如UIButton点击、touchesBegin/Move/End/Cancel事件都是在这个回调中完成的。

手势识别

_UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时，首先调用 Cancel 将当前的 touchesBegin/Move/End 系列回调打断。随后系统将对应的 UIGestureRecognizer 标记为待处理。

苹果注册了一个 Observer 监测 BeforeWaiting (Loop即将进入休眠) 事件，这个Observer的回调函数是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其内部会获取所有刚被标记为待处理的 GestureRecognizer，并执行GestureRecognizer的回调。当UIGestureRecognizer 变化(创建/销毁/状态改变)时，回调都会进行处理。

定时器：CFRunLoopTimerRef--系统内“定时闹钟”

定时源在预设的时间点同步方式传递消息。定时器是线程通知自己做某事的一种方法。定时器是基于时间的通知，并不实时机制。

例如，搜索控件可以使用定时器，当用户连续输入的时间超过一定时间时，就开始一次搜索。这样，用户就可以有足够的时间来输入想要搜索的关键字。

NSTimer 和 performSEL 方法实际上是对CFRunloopTimerRef的封装；

GCD的timer：dispatch_source_t 类型，不用runloop和mode，性能消耗更小。

dispatch_source_set_timer(dispatch_source_t source, // 定时器对象

dispatch_time_t start, // 定时器开始执行的时间

uint64_t interval, // 定时器的间隔时间

uint64_t leeway // 定时器的精度

);

1. 如果定时器所在的模式不是 runloop的currentmodel，那么定时器将不会执行，直到 runloop运行在定时器所在的mode 模式下。

2. 如果定时器在runloop处理某一事件期间开始，定时器会一直等待直到下次runloop开始相应的处理程序，如果runloop不运行了，那么定时器也永远不启动。

3. 如果timer 添加的线程未开启runloop , timer 就不会被执行。

在子线程中将NSTimer以默认方式加到该线程的runloop中，启动子线程

4. 注意内存泄漏，循环引用的问题。

一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，对应时间点的回调会被跳过去，不会延后执行。就比如等公交，如果 10:10 时玩手机错过了，那只能等 10:20 的了。

注意：RunLoop为了节省资源，并不会在非常准确的时间点回调这个Timer。Timer 有个属性叫做 Tolerance (宽容度)，标示了当时间点到后，容许有多少最大误差。

CADisplayLink：和屏幕刷新率一致的定时器，一秒刷新60次。

和 NSTimer 不一样，其内部实际是操作了一个 Source。

CADisplayLink以特定模式注册到runloop后，每当屏幕显示内容刷新结束的时候，runloop就会向CADisplayLink指定的target发送一次指定的selector消息， CADisplayLink类对应的selector就会被调用一次。所以通常情况下，按照iOS设备屏幕的刷新率60次/秒

CADisplayLink 在正常情况下会在屏幕每次刷新结束后调用，精确度相当高。如果CPU过于繁忙，无法保证屏幕60次/秒的刷新率，就会导致跳过若干次调用回调方法的机会，跳过次数取决CPU的忙碌程度。

CADisplayLink 使用场合相对专一，适合做界面的不停重绘，比如视频播放的时候需要不停地获取下一帧用于界面渲染。

定时器定时工作注意：定时器会基于安排好的时间而非实际时间，自动的开始。

注意：比如安排好了： 5，10，15，20 ...分别执行一次任务，如果定时器延迟到 10分的时候才开始任务，定时器在5-10这个时间段中也只会启动一次，之后按照预设的时间点正常运行15，20....。

NSTimer 和 CADisplayLink的区别 ：

1. CADisplayLink - 简介 - 简书 2. 三个定时器之间的区别⏲

CADisplayLink - 简书

Runloop本质：mach port 和 mach_msg()

IOKit 层是为设备驱动提供了一个面向对象(C++)的一个框架。

在 Mach 中，进程、线程和虚拟内存都被称为”对象”。 Mach 的对象间不能直接调用，只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。”消息”是 Mach 中最基础的概念，消息在两个端口 (port) 之间传递，这就是 Mach 的 IPC (进程间通信) 的核心。

1条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB)，其头部定义了当前端口 local_port 和目标端口 remote_port。（Source1是基础端口，它就是依靠系统发送消息到指定的Port来触发的）。

1. 通过 msg 函数决定Runloop是否休眠等待：调用mach_msg( ) 函数接收消息，如果没有 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态。

2. 一个是通过判断退出条件来决定Runloop是否循环。

在空闲前指定用于唤醒的 mach port 端口，空闲时被 mach_msg() 函数阻塞着并监听唤醒端口， mach_msg() 又会调用 mach_msg_trap() 函数从用户态切换到内核态，系统内核就将这个线程挂起，一直停留在 mac_msg_trap 状态。直到另一个线程向内核发送这个端口的 msg ，trap 状态被唤醒。 RunLoop 继续工作。（当有消息返回时，当前线程被阻塞，系统内核开辟一条新的线程去返回这个消息）

程序休眠时，RunLoop停留在 _CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy) 这个函数内部就是调用了mach_msg 让程序处于休眠状态。

runloop & NSThread

1. runloop 和 pthread_t （也就是线程）是一一对应的, 对应关系是保存在一个全局的 dictionary 中，key是pthread_t ， value是相对应的RunLoop 。

2. 在子线程中调用：NSRunLoop*runloop= [NSRunLoop currentRunLoop];

原理：获取RunLoop对象的时候，会先看一下全局字典里有没有存子线程相对应的RunLoop，如果有直接返回，没有会创建一个，并将与之对应的子线程存入字典中。

3. RunLoop是一个懒加载机制，子线程的runloop默认不创建。如果不主动获取，那子线程内的RunLoop一直不会存在。

4. 当线程结束销毁的时候，也销毁相应的 runloop。

5. 启动一个APP时主线程对应的RunLoop 会被主动开启

关于GCD 和 RunLoop 交互

RunLoop 底层会用到 GCD 的东西，GCD 的某些 API 也用到了 RunLoop。runloop启动时设置的最大超时时间实际上是GCD的dispatch_source_t类型。

当调用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 时，libDispatch 会向主线程的 RunLoop 发送消息，RunLoop会被唤醒，并从消息中取得这个 block，并在回调 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 里执行这个 block。但这个逻辑仅限于 dispatch 到主线程，dispatch 到其他线程仍然是由 libDispatch 处理的。

Runloop即将进入休眠，会重绘一次界面

<CFRunLoopObserver> {

activities=0xa0,

callout=_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv

}

准备进入睡眠和即将退出 loop 两个时间点，会调用函数更新 UI 界面。 UI的绘制是拿到所有之后，在统一绘制的。

当在操作 UI 时，某个需要变化的 UIView/CALayer 就被标记为待处理，然后被提交到一个全局的容器去，再在上面的回调执行时才会被取出来进行绘制和调整。

UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿，这类任务通常分为3类：排版，绘制，UI对象操作。

排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。

绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。

UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。

其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行，而最后一类操作只能在主线程完成，并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果（例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小）。尽量将能放入后台的任务放入后台，不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。

CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef：消息循环中的一个监听器，监听runloop状态。随时通知外部当前RunLoop的运行状态（它包含一个函数指针callout将当前状态及时告诉观察者）

数据结构:

// Observer：order(优先级)，ativity(监听状态)，callout(回调函数)

CFRunLoopObserver {order = ..., activities = ..., callout = ...}

Observer监听 6 种状态：

1. kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 进入RunLoop

2. kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即将开始Timer处理

3. kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将开始Source处理

4. kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠

5. kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), //从休眠状态唤醒

6. kCFRunLoopExit = (1UL << 7), //退出RunLoop

使用场景： AutoreleasePool

App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

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，通常是写在事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，不会出现内存泄漏，开发者也不必显示创建 Pool 了。