一.Runloop介绍
1.什么是Runloop
字面意思运行循环
,它是一个对象,这个对象提供一个入口函数。
程序会进入do...while
循环,处理事件。它不是一个普通的do-while
循环,普通的do-while
会一直暂用CPU资源,runloop
在没有消息处理时,会进入休眠表面资源占用。
2.Runloop作用
- 保持程序的持续运行
- 处理app中的各种事件:触摸、定时器、performSelector等
- 节省cpu资源、提供程序的性能
3.Runloop和线程关系
- 苹果不允许直接创建 RunLoop,它只提供了两个自动获取的函数:
CFRunLoopGetMain()
:获取主运行循环。
CFRunLoopGetCurrent()
:获取当前运行循环。 - runloop和线程一一对应的关系.
- 只能在当前线程中操作当前线程的RunLoop,而不能去操作其他线程的RunLoop。
- RunLoop对象在第一次获取RunLoop时创建,销毁则是在线程结束的时候。
- 主线程的RunLoop对象系统自动帮助我们创建好了,而子线程的RunLoop对象需要我们主动获取,因为子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Yo有。
相关源码分析:
从获取线程RunLoop
的方法CFRunLoopGetCurrent()
进去:
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
CHECK_FOR_FORK();
CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
if (rl) return rl;
return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}
获取RunLoop
,调用_CFRunLoopGet0
,当前线程(pthread_self()
作为参数传入。
static pthread_t kNilPthreadT = { nil, nil };
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
//1.为Nil,设置为主线程
if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
t = pthread_main_thread_np();
}
2.加锁,保证线程安全
__CFSpinLock(&loopsLock);
3.__CFRunLoops是CFMutableDictionaryRef类型的静态全局变量,保存线程和runloop一一对应的关系
if (!__CFRunLoops) {
4.如果__CFRunLoops为空
__CFSpinUnlock(&loopsLock);
//5.创建可变字典CFMutableDictionaryRef
CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
//6.通过pthread_main_thread_np()创建一个CFRunLoopRef
CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
//7.通过key-value的方式,将pthread_main_thread_np()和mainLoop存入`dict`
CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
//8.将dict赋值给__CFRunLoops
if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
CFRelease(dict);
}
CFRelease(mainLoop);
__CFSpinLock(&loopsLock);
}
//9.在__CFRunLoops,线程作为key获取runloop
CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
__CFSpinUnlock(&loopsLock);
//10.不存在runloop
if (!loop) {
//11.创建一个loop
CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
__CFSpinLock(&loopsLock);
loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
if (!loop) {
//12.将创建好的newloop存储到__CFRunLoops
CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
loop = newLoop;
}
// don't release run loops inside the loopsLock, because CFRunLoopDeallocate may end up taking it
__CFSpinUnlock(&loopsLock);
CFRelease(newLoop);
}
if (pthread_equal(t, pthread_self())) {
_CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoop, (void *)loop, NULL);
if (0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr)) {
_CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr, (void *)(PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1), (void (*)(void *))__CFFinalizeRunLoop);
}
}
return loop;
}
- CFMutableDictionaryRef类型的全局静态变量
__CFRunLoops
,线程为key,对应的runloop
为value
保存在__CFRunLoops
,线程和runloop是一一对应的关系.
二.Runloop结构
imageRunLoop 相关的主要涉及五个类,如上图所示:
- CFRunLoopRef
- CFRunLoopModeRef//运行模式
- CFRunLoopSourceRef
- CFRunLoopTimerRef
- CFRunLoopObserverRef
- CFRunLoopModeRef//运行模式
1.CFRunLoopRef:Runloop对象
struct __CFRunLoop {
CFRuntimeBase _base;
pthread_mutex_t _lock; /* locked for accessing mode list */
__CFPort _wakeUpPort; // used for CFRunLoopWakeUp
Boolean _unused;
volatile _per_run_data *_perRunData; // reset for runs of the run loop
pthread_t _pthread;//当前线程
uint32_t _winthread;
CFMutableSetRef _commonModes;//commonModes下的两个mode(kCFRunloopDefaultMode和UITrackingMode)
CFMutableSetRef _commonModeItems;// 在commonModes状态下运行的对象(例如Timer)
CFRunLoopModeRef _currentMode;////在当前loop下运行的mode
CFMutableSetRef _modes;// // 运行的所有模式(CFRunloopModeRef类)
struct _block_item *_blocks_head;
struct _block_item *_blocks_tail;
CFTypeRef _counterpart;
};
2.CFRunLoopModeRef:运行模式
struct __CFRunLoopMode {
CFStringRef _name; // Mode Name
CFMutableSetRef _sources0; // Set
CFMutableSetRef _sources1; // Set
CFMutableArrayRef _observers; // Array
CFMutableArrayRef _timers; // Array
...
};
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)
。可重写指定并切换Mode
。主要是为了分隔开不同的 Source、Timer、Observer
,让它们之间互不影响。
RunLoop下共有五种mode:
- 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,实际是kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode的结合。
项目中,如下如下场景:页面中有一个无限循环的banner,当用户在界面上滑动时,banner定时器不起作用。
原因:主线程的 RunLoop
里有两个 Mode:kCFRunLoopDefaultMode
和 UITrackingRunLoopMode
。默认情况下是defaultMode
,但是当滑动UIScrollView
时,RunLoop
会将 mode
切换为 TrackingRunLoopMode
,这时 Timer 就不会执行。如果想在滑动的时候不让定时器失效,可以使用CommonMode
来解决。
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
3.CFRunLoopSourceRef
- Source0 :非基于 Port。只包含了一个回调(函数指针),不能主动触发事件。使用时,需先调用 CFRunLoopSourceSignal(source),将 Source 标记为待处理,然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop)唤醒 RunLoop,让其处理这个事件。触摸事件处理和 performSelector:onThread: 都会触发 Source0 。
- Source1:基于Port,通过内核和其他线程通信,接收、分发系统事件。 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。基于Port的线程间通信和系统事件捕捉都是 Source1 完成,当 Source1 捕捉到系统时间后,会放在队列中,之后再依次包装为 Source0 处理。
4.CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopTimerRef 是定时源,你可以简单把它理解为NSTimer。其包含一个时间点和一个回调(函数指针)。当被加入到 RunLoop 时,RunLoop 会注册对应的时间点,当时间到时,RunLoop 会执行对应时间点的回调。NSTimer 和 performSelector:withObject:afterDelay: 都是通过其处理的。
5.CFRunLoopObserverRef
CFRunLoopObserverRef是观察者,主要用来监听RunLoop 的状态,主要有以下几种状态。
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
kCFRunLoopExit = (1UL << 7),
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};
- kCFRunLoopEntry : 即将进入RunLoop
- kCFRunLoopBeforeTimers :即将处理Timer
- kCFRunLoopBeforeSources:即将处理Source
- kCFRunLoopBeforeWaiting :即将进入休眠
- kCFRunLoopAfterWaiting:即将从休眠中唤醒
- kCFRunLoopExit :即将从RunLoop中退出
- kCFRunLoopAllActivities:监听全部状态改变
6.CFRunLoopRef,CFRunLoopModeRef,CFRunLoopSourceRef,CFRunLoopTimerRef,CFRunLoopObserverRef关系
image三、RunLoop逻辑流程源码探索
Runloop
的运行从CFRunLoopRun
开始.
void CFRunLoopRun(void) { /* DOES CALLOUT */
int32_t result;
do {
result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
CHECK_FOR_FORK();
} while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}
接下来都是调用CFRunLoopRunSpecific
:
SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) { /* DOES CALLOUT */
CHECK_FOR_FORK();
if (__CFRunLoopIsDeallocating(rl)) return kCFRunLoopRunFinished;
__CFRunLoopLock(rl);
//根据modeName找到本次运行的mode
CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false);
//如果没找到 || mode中没有注册任何事件,则就此停止,不进入循环
if (NULL == currentMode || __CFRunLoopModeIsEmpty(rl, currentMode, rl->_currentMode)) {
Boolean did = false;
if (currentMode) __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
__CFRunLoopUnlock(rl);
return did ? kCFRunLoopRunHandledSource : kCFRunLoopRunFinished;
}
volatile _per_run_data *previousPerRun = __CFRunLoopPushPerRunData(rl);
//取上一次运行的mode
CFRunLoopModeRef previousMode = rl->_currentMode;
//如果本次mode和上次的mode一致
rl->_currentMode = currentMode;
//初始化一个result为kCFRunLoopRunFinished
int32_t result = kCFRunLoopRunFinished;
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry )
/// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopExit )
/// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
__CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
__CFRunLoopPopPerRunData(rl, previousPerRun);
rl->_currentMode = previousMode;
__CFRunLoopUnlock(rl);
return result;
}
进入核心代码__CFRunLoopRun
,代码太长,这里只贴出核心代码:
/// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources)
/// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
/// 执行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
/// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
if (sourceHandledThisLoop) {
/// 执行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
}
//如果没有Sources0事件处理 并且 没有超时,poll为false
//如果有Sources0事件处理 或者 超时,poll都为true
Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);
//第一次do..whil循环不会走该分支,因为didDispatchPortLastTime初始化是true
if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
#if DEPLOYMENT_TARGET_MACOSX || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED_MINI
//从缓冲区读取消息
msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
/// 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 (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0)) {
//如果接收到了消息的话,前往第9步开始处理msg
goto handle_msg;
}
#elif DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
if (__CFRunLoopWaitForMultipleObjects(NULL, &dispatchPort, 0, 0, &livePort, NULL)) {
goto handle_msg;
}
#endif
}
didDispatchPortLastTime = false;
/// 6.通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
//设置RunLoop为休眠状态
__CFRunLoopSetSleeping(rl);
msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
/// 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, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);
/// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
总结:
- 1、通知观察者 RunLoop 已经启动。
- 2、通知观察者即将要开始定时器。
- 3、通知观察者任何即将启动的非基于端口的源。
- 4、启动任何准备好的非基于端口的源(Source0)。
- 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、通知观察者线程进入休眠状态。
- 7、将线程置于休眠状态,知道下面的任一事件发生才唤醒线程。
某一事件到达基于端口的源
定时器启动。
RunLoop 设置的时间已经超时。
RunLoop 被唤醒。 - 8、通知观察者线程将被唤醒。
- 9、处理未处理的事件。
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。
[图片上传失败...(image-cff93d-1585635835488)]
四.runloop应用
主线程几乎所有函数都从以下六个之一的函数调起:
-
CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION
用于向外部报告 RunLoop 当前状态的更改,框架中很多机制都由 RunLoopObserver 触发,如 CAAnimation
-
CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK
消息通知、非延迟的perform、非延迟的dispatch调用、block回调、KVO
imageblock应用: ``` void (^block)(void) = ^{ NSLog(@"123"); }; block(); ```
-
CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE
image
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{ NSLog(@"hello word"); });
-
CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION
延迟的perform, 延迟dispatch调用
[self performSelector:@selector(fire) withObject:nil afterDelay:1.0];
image
-
CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION
处理App内部事件、App自己负责管理(触发),如UIEvent、CFSocket。普通函数调用,系统调用
-
CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION
由RunLoop和内核管理,Mach port驱动,如CFMachPort、CFMessagePort
runloop与GCD
-
runLoop
的超时时间就是使用GCD
中的dispatch_source_t
来实现的 -
执行
GCD MainQueue
上的异步任务runloop
用到了GCD
,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与自动释放池
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
(准备进入睡眠) 和 Exit
(即将退出Loop),
BeforeWaiting
(准备进入睡眠)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。
UI刷新
当在操作 UI
时,比如改变了 Frame
、更新了 UIView/CALayer
的层次时,或者手动调用了 UIView/CALayer
的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay
方法后,这个 UIView/CALayer
就被标记为待处理,并被提交到一个全局的容器去。
苹果注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting
(即将进入休眠) 和Exit
(即将退出Loop) 事件,回调去执行。遍历所有待处理的 UIView/CAlayer
以执行实际的绘制和调整,并更新 UI
界面。
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。随后苹果注册的那个 Source1
就会触发回调,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。
如何处理手势
当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时,其首先会调用 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。
当有 UIGestureRecognizer 的变化(创建/销毁/状态改变)时,这个回调都会进行相应处理。
如何处理timer
NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef,他们之间是 toll-free bridged 的。一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后,RunLoop会为其重复的时间点注册好事件,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.
meInterval tolerance API_AVAILABLE(macos(10.9), ios(7.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
NSTimer和performSEL方法实际上是对CFRunloopTimerRef的封装.
如何处理performSelector
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。
常驻子线程
为了保证线程长期运转,可以在子线程中加入RunLoop
,并且给Runloop
设置item
,防止Runloop
自动退出。
+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
@autoreleasepool {
[[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
[runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[runLoop run];
}
}
+ (NSThread *)networkRequestThread {
static NSThread *_networkRequestThread = nil;
static dispatch_once_t oncePredicate;
dispatch_once(&oncePredicate, ^{
_networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
[_networkRequestThread start];
});
return _networkRequestThread;
}
- (void)start {
[self.lock lock];
if ([self isCancelled]) {
[self performSelector:@selector(cancelConnection) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
} else if ([self isReady]) {
self.state = AFOperationExecutingState;
[self performSelector:@selector(operationDidStart) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
}
[self.lock unlock];
}
卡顿监测
所谓的卡顿一般是在主线程做了耗时操作,卡顿监测的主要原理是在主线程的RunLoop
中添加一个 observer
,检测从 即将处理Source(kCFRunLoopBeforeSources)
到 即将进入休眠 (kCFRunLoopBeforeWaiting)
花费的时间是否过长。如果花费的时间大于某一个阙值,则认为卡顿,此时可以输出对应的堆栈调用信息。
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