详解runloop

iOS 里很重要的一个概念就是runloop，到底什么是runloop呢？先从概念说起，如果大家接触过node，就会感到很熟悉，事件驱动，或者叫事件循环。

一、RunLoop概念

RunLoop是通过内部维护的事件循环(Event Loop)来对事件/消息进行管理的一个对象。

1、没有消息处理时，休眠已避免资源占用，由用户态切换到内核态(CPU-内核态和用户态)
2、有消息需要处理时，立刻被唤醒，由内核态切换到用户态

为什么main函数不会退出？

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

UIApplicationMain内部默认开启了主线程的RunLoop，并执行了一段无限循环的代码（不是简单的for循环或while循环）
UIApplicationMain函数一直没有返回，而是不断地接收处理消息以及等待休眠，所以运行程序之后会保持持续运行状态。

二、RunLoop的数据结构

NSRunLoop(Foundation)是CFRunLoop(CoreFoundation)的封装，提供了面向对象的API
RunLoop 相关的主要涉及五个类：

CFRunLoop：RunLoop对象
CFRunLoopMode：运行模式
CFRunLoopSource：输入源/事件源
CFRunLoopTimer：定时源
CFRunLoopObserver：观察者

1、CFRunLoop

由pthread(线程对象，说明RunLoop和线程是一一对应的)、currentMode(当前所处的运行模式)、modes(多个运行模式的集合)、commonModes(模式名称字符串集合)、commonModelItems(Observer,Timer,Source集合)构成

2、CFRunLoopMode

由name、source0、source1、observers、timers构成

3、CFRunLoopSource

分为source0和source1两种

• source0:
  即非基于port的，也就是用户触发的事件。需要手动唤醒线程，将当前线程从内核态切换到用户态
• source1:
  基于port的，包含一个 mach_port 和一个回调，可监听系统端口和通过内核和其他线程发送的消息，能主动唤醒RunLoop，接收分发系统事件。
  具备唤醒线程的能力

4、CFRunLoopTimer

基于时间的触发器，基本上说的就是NSTimer。在预设的时间点唤醒RunLoop执行回调。因为它是基于RunLoop的，因此它不是实时的（就是NSTimer 是不准确的。 因为RunLoop只负责分发源的消息。如果线程当前正在处理繁重的任务，就有可能导致Timer本次延时，或者少执行一次）。

5、CFRunLoopObserver

监听以下时间点:CFRunLoopActivity

kCFRunLoopEntry
RunLoop准备启动
kCFRunLoopBeforeTimers
RunLoop将要处理一些Timer相关事件
kCFRunLoopBeforeSources
RunLoop将要处理一些Source事件
kCFRunLoopBeforeWaiting
RunLoop将要进行休眠状态,即将由用户态切换到内核态
kCFRunLoopAfterWaiting
RunLoop被唤醒，即从内核态切换到用户态后
kCFRunLoopExit
RunLoop退出
kCFRunLoopAllActivities
监听所有状态

6、各数据结构之间的联系

线程和RunLoop一一对应， RunLoop和Mode是一对多的，Mode和source、timer、observer也是一对多的

三、RunLoop的Mode

关于Mode首先要知道一个RunLoop 对象中可能包含多个Mode，且每次调用 RunLoop 的主函数时，只能指定其中一个 Mode(CurrentMode)。切换 Mode，需要重新指定一个 Mode 。主要是为了分隔开不同的 Source、Timer、Observer，让它们之间互不影响。

当RunLoop运行在一个Mode上时，是无法接受处理其他Mode上的Source、Timer、Observer事件的。

总共是有五种CFRunLoopMode:

kCFRunLoopDefaultMode：默认模式，主线程是在这个运行模式下运行

UITrackingRunLoopMode：跟踪用户交互事件（用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他Mode影响）

UIInitializationRunLoopMode：在刚启动App时第进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用

GSEventReceiveRunLoopMode：接受系统内部事件，通常用不到

kCFRunLoopCommonModes：伪模式，不是一种真正的运行模式，是同步Source/Timer/Observer到多个Mode中的一种解决方案。

四、RunLoop的实现机制

对于RunLoop而言最核心的事情就是保证线程在没有消息的时候休眠，在有消息时唤醒，以提高程序性能。RunLoop这个机制是依靠系统内核来完成的（苹果操作系统核心组件Darwin中的Mach）。

RunLoop通过mach_msg()函数接收、发送消息。它的本质是调用函数mach_msg_trap()，相当于是一个系统调用，会触发内核状态切换。在用户态调用 mach_msg_trap()时会切换到内核态；内核态中内核实现的mach_msg()函数会完成实际的工作。
即基于port的source1，监听端口，端口有消息就会触发回调；而source0，要手动标记为待处理和手动唤醒RunLoop（是执行 source0 时需要手动调用 CFRunLoopWakeUp 来唤醒 run loop，实际觉得好像大部分场景下其它事件都会导致 run loop 正常进行着循环，只要 run loop 进行循环则标记为待处理的 source0 就能得到执行，好像并不需要我们刻意的手动调用 CFRunLoopWakeUp 来唤醒当前的 run loop。）

Mach消息发送机制
大致逻辑为：
1、通知观察者 RunLoop 即将启动。
2、通知观察者即将要处理Timer事件。
3、通知观察者即将要处理source0事件。
4、处理source0事件。
5、如果基于端口的源(Source1)准备好并处于等待状态，进入步骤9。
6、通知观察者线程即将进入休眠状态。
7、将线程置于休眠状态，由用户态切换到内核态，直到下面的任一事件发生才唤醒线程。

• 一个基于 port 的Source1 的事件(图里应该是source0)。
• 一个 Timer 到时间了。
• RunLoop 自身的超时时间到了。
• 被其他调用者手动唤醒。

8、通知观察者线程将被唤醒。
9、处理唤醒时收到的事件。

• 如果用户定义的定时器启动，处理定时器事件并重启RunLoop。进入步骤2。
• 如果输入源启动，传递相应的消息。
• 如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时，重启RunLoop。进入步骤2

10、通知观察者RunLoop结束。

六、一些runloop常见的问题和应用

1、RunLoop与NSTimer

一个比较常见的问题：滑动tableView时，定时器还会生效吗？
默认情况下RunLoop运行在kCFRunLoopDefaultMode下，而当滑动tableView时，RunLoop切换到UITrackingRunLoopMode，而Timer是在kCFRunLoopDefaultMode下的，就无法接受处理Timer的事件。
怎么去解决这个问题呢？把Timer添加到UITrackingRunLoopMode上并不能解决问题，因为这样在默认情况下就无法接受定时器事件了。
所以我们需要把Timer同时添加到UITrackingRunLoopMode和kCFRunLoopDefaultMode上。
那么如何把timer同时添加到多个mode上呢？就要用到NSRunLoopCommonModes了

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

Timer就被添加到多个mode上，这样即使RunLoop由kCFRunLoopDefaultMode切换到UITrackingRunLoopMode下，也不会影响接收Timer事件

2、RunLoop和线程

• 线程和RunLoop是一一对应的,其映射关系是保存在一个全局的 Dictionary 里
• 自己创建的线程默认是没有开启RunLoop的

怎么创建一个常驻线程？

1、为当前线程开启一个RunLoop（第一次调用 [NSRunLoop currentRunLoop]方法时实际是会先去创建一个RunLoop）
2、向当前RunLoop中添加一个Port/Source等维持RunLoop的事件循环（如果RunLoop的mode中一个item都没有，RunLoop会退出）
3、启动该RunLoop

   @autoreleasepool {
        
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        
        [runLoop run];
        
    }

输出下边代码的执行顺序

 NSLog(@"1");

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    
    NSLog(@"2");

    [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:10];
    
    NSLog(@"3");
});

NSLog(@"4");

- (void)test
{
    
    NSLog(@"5");
}

答案是1423，test方法并不会执行。
原因是如果是带afterDelay的延时函数，会在内部创建一个 NSTimer，然后添加到当前线程的RunLoop中。也就是如果当前线程没有开启RunLoop，该方法会失效。
那么我们改成:

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        
        NSLog(@"2");
        
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
        
        [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:10];
  
        NSLog(@"3");
    });

然而test方法依然不执行。
原因是如果RunLoop的mode中一个item都没有，RunLoop会退出。即在调用RunLoop的run方法后，由于其mode中没有添加任何item去维持RunLoop的时间循环，RunLoop随即还是会退出。
所以我们自己启动RunLoop，一定要在添加item后

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        
        NSLog(@"2");
        
        [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:10];
        
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
  
        NSLog(@"3");
    });

3、怎样保证子线程数据回来更新UI的时候不打断用户的滑动操作？

当我们在子请求数据的同时滑动浏览当前页面，如果数据请求成功要切回主线程更新UI，那么就会影响当前正在滑动的体验。
我们就可以将更新UI事件放在主线程的NSDefaultRunLoopMode上执行即可，这样就会等用户不再滑动页面，主线程RunLoop由UITrackingRunLoopMode切换到NSDefaultRunLoopMode时再去更新UI

[self performSelectorOnMainThread:@selector(reloadData) withObject:nil waitUntilDone:NO modes:@[NSDefaultRunLoopMode]];

4、runloop 在监控卡顿中的应用

主线程卡顿监控：这是业内常用的一种检测卡顿的方法，通过开辟一个子线程来监控主线程的 RunLoop，当两个状态区域之间的耗时大于阈值时，就记为发生一次卡顿。美团的移动端性能监控方案 Hertz 采用的就是这种方式

image.png

主线程卡顿监控的实现思路：开辟一个子线程，然后实时计算 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 两个状态区域之间的耗时是否超过某个阀值，来断定主线程的卡顿情况，可以将这个过程想象成操场上跑圈的运动员，我们会每隔一段时间间隔去判断是否跑了一圈，如果发现在指定时间间隔没有跑完一圈，则认为在消息处理的过程中耗时太多，视为主线程卡顿，这时我们要保存应用的上下文，即卡顿发生时程序的堆栈调用和运行日志上传。

static void runLoopObserverCallBack(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info)
{
    MyClass *object = (__bridge MyClass*)info;
    
    // 记录状态值
    object->activity = activity;
    
    // 发送信号
    dispatch_semaphore_t semaphore = moniotr->semaphore;
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}

- (void)registerObserver
{
    CFRunLoopObserverContext context = {0,(__bridge void*)self,NULL,NULL};
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
                                                            kCFRunLoopAllActivities,
                                                            YES,
                                                            0,
                                                            &runLoopObserverCallBack,
                                                            &context);
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    
    // 创建信号
    semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
    
    // 在子线程监控时长
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (YES)
        {
            // 假定连续5次超时50ms认为卡顿(当然也包含了单次超时250ms)
            long st = dispatch_semaphore_wait(semaphore, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 50*NSEC_PER_MSEC));
            if (st != 0)
            {
                if (activity==kCFRunLoopBeforeSources || activity==kCFRunLoopAfterWaiting)
                {
                    if (++timeoutCount < 5)
                        continue;
                    // 检测到卡顿，进行卡顿上报
                }
            }
            timeoutCount = 0;
        }
    });
}   

代码中使用 timeoutCount 变量来覆盖多次连续的小卡顿，当累计次数超过5次，也会进入到卡顿逻辑。当检测到了卡顿，下一步需要做的就是记录卡顿的现场，即此时程序的堆栈调用，可以借助开源库 PLCrashReporter 来实现