iOS RunLoop本质相关问题

RunLoop

• 苹果是如何利用RunLoop实现自动释放池、延迟回调、触摸事件、屏幕刷新等功能的，今天我们就了解一下什么是RunLoop。

1、概念

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

• 没有消息需要处理的时候，休眠以避免资源的浪费。 用户态---->内核态。

• 有消息需要处理的时候，立刻被唤醒。内核态---->用户态。

接收消息 ----> 处理消息 ----> 等待(并非死循环)

2、数据结构

• 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。

CFRunLoop对象监视任务的输入源，并在准备好处理时调度控制。输入源的示例可能包括用户输入设备，网络连接，定期或延时事件以及异步回调。

运行循环可以监视三种类型的对象：sources（CFRunLoopSource），计时器（CFRunLoopTimer）和观察者（CFRunLoopObserver）。要在这些对象需要处理时接收回调，必须首先将这些对象放入带有CFRunLoopAddSource，CFRunLoopAddTimer或CFRunLoopAddObserver的运行循环中。您可以稍后从运行循环中删除对象（或使其无效）以停止接收其回调。

添加到运行循环的每个源，计时器和观察器必须与一个或多个运行循环模式相关联。模式确定在给定迭代期间运行循环处理的事件。每次运行循环执行时，它都以特定模式执行。在该模式下，运行循环仅处理与该模式关联的源，计时器和观察器关联的事件。您将大多数源分配给默认的运行循环模式（由kCFRunLoopDefaultMode常量指定），该模式用于在应用程序（或线程）空闲时处理事件。但是，系统定义了其他模式，并且可以在其他模式中执行运行循环，以限制处理哪些源，定时器和观察器。由于运行循环模式只是指定为字符串，因此您还可以定义自己的自定义模式以限制事件的处理

Core Foundation定义了一种特殊的伪模式，称为通用模式，允许您将多个模式与给定的源，计时器或观察者相关联。要指定常用模式，请在配置对象时使用kCFRunLoopCommonModes常量作为模式。每个运行循环都有自己独立的通用模式集，默认模式（kCFRunLoopDefaultMode）始终是集合的成员。要将模式添加到常用模式集，请使用CFRunLoopAddCommonMode函数。

每个线程只有一个运行循环。你既不创建也不破坏线程的运行循环。 Core Foundation会根据需要自动为您创建它。使用CFRunLoopGetCurrent获取当前线程的运行循环。调用CFRunLoopRun以默认模式运行当前线程的运行循环，直到使用CFRunLoopStop停止运行循环。您还可以调用CFRunLoopRunInMode以指定的模式运行当前线程的运行循环一段时间（或直到运行循环停止）。只有在请求的模式至少有一个要监视的源或计时器时，才能运行运行循环。

可以递归运行运行循环。您可以在任何运行循环调用中调用CFRunLoopRun或CFRunLoopRunInMode，并在当前线程的调用堆栈上创建嵌套的运行循环激活。您不限制可以在标注中运行的模式。您可以在任何可用的运行循环模式下创建另一个运行循环激活，包括已在调用堆栈中运行得更高的任何模式。

Cocoa应用程序构建在CFRunLoop之上，以实现自己的更高级别的事件循环。编写应用程序时，可以将源，计时器和观察器添加到其运行循环对象和模式中。然后，您的对象将作为常规应用程序事件循环的一部分进行监视。使用NSRunLoop的getCFRunLoop方法获取相应的CFRunLoopRef类型。在Carbon应用程序中，使用GetCFRunLoopF​​romEventLoop函数。

• 1.CFRunLoop

  

  • pthread，runloop与线程是一一对应的关系。

  • currentMode，是一个CFRunLoopMode的一种数据，结构，表示当前runloop是那种model。

  • modes，NSMutableSet<CFRunLoopMode *>，是一个model集合。

  • commonModes，NSMutableSet<NSString *>，是一个字符串的集合。这个mode会在下边CFRunLoopMode具体说明。

  • commonModeItes，也是个集合，集合中的内容是添加到当前runloop不同mode中的所有items：source、timer、observer。

  • 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。

从上面的代码可以看出，线程和 RunLoop 之间是一一对应的，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。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）。

• 2.CFRunLoopMode

  
  • name，实质是字符串，不同mode的名字。
  • sources0、sources1，都是MutableSet集合类型。区别如下图：
  
  • observers和timers，都是数组类型。

• 3.Source/Timer/Observer

  • CFRunLoopTimer，基于事件的定时器，和NSTimer是toll-free bridge的（免费桥转换）。

  • CFRunLoopObserver，我们可以通过注册一些observer来实现对runloop的相关时间点的监测。

观测的时间点

/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
   kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), //即将进入run loop
   kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), //即将处理timer
   kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), //即将处理source
   kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), //即将进入休眠
   kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), //被唤醒但是还没开始处理事件
   kCFRunLoopExit = (1UL << 7), //run loop已经退出
   kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

• 4.RunLoop的mode

  • RunLoop与mode的关系是一对多的关系，mode与timer、source、observer也是一对多的关系：
  
  • 同一时间RunLoop只能在一种mode下运行，如果需要切换mode，需要停止当前RunLoop，然后重启RunLoop。

• model 主要是用来指定事件在运行循环中的优先级的，分为：

  • NSDefaultRunLoopMode（kCFRunLoopDefaultMode）：默认，空闲状态
  • UITrackingRunLoopMode：ScrollView滑动时
  • UIInitializationRunLoopMode：启动时
  • NSRunLoopCommonModes（kCFRunLoopCommonModes）：commonModes并不是一个实际存在的mode（CFRunLoopMode），而是字符串的集合，它是同步timer、observer、source到多个mode的一种技术方案。

• 苹果公开给我们的有两个：

  • NSDefaultRunLoopMode和NSRunLoopCommonModes。

• 一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Observer/Source，如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。

• 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。

• 有时你需要一个 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.

CFRunLoop对外暴露的管理 Mode 接口只有下面2个:

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面几个：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

你只能通过 mode name 来操作内部的 mode，当你传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时，RunLoop会自动帮你创建对应的 CFRunLoopModeRef。对于一个 RunLoop 来说，其内部的 mode 只能增加不能删除。

苹果公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。

同时苹果还提供了一个操作 Common 标记的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用这个字符串来操作 Common Items，或标记一个 Mode 为 "Common"。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。

3、事件循环机制

image

/// 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/observer, 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 Source0 (非port) 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/observer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。

4、RunLoop与NSTimer

• timer默认被添加到RunLoop的NSDefaultRunLoopMode中，tableview滑动时，RunLoop的mode会从kCFRunLoopDefaultMode切换到UITrackingRunLoopMode，此时定时器就失效了。

• 解决方案：

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

  • 实际是通过函数：
    void CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef rlt, CFStringRef modeName)；

5、RunLoop与多线程

• 线程和RunLoop是一一对应的。自己创建的线程默认是没有RunLoop的。

• 怎样开启一个常驻线程？

  • 1.为当前线程开启一个RunLoop。

  • 2.向该RunLoop中添加port、source来维持RunLoop的事件循环。

  • 3.启动RunLoop。

    NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [runLoop run];
    

• 线程和 RunLoop 之间是一一对应的，其关系是保存在一个全局的 Dictionary 里。其实，其他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。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）。

• 怎样实现一个常驻线程

  

6、RunLoop的底层实现

• RunLoop 的核心是基于 mach port 的，其进入休眠时调用的函数是 mach_msg()。为了解释这个逻辑，下面稍微介绍一下 OSX/iOS 的系统架构。

• 苹果官方将整个系统大致划分为上述4个层次：
  • 应用层包括用户能接触到的图形应用，例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard 等。
  • 应用框架层即开发人员接触到的 Cocoa 等框架。
  • 核心框架层包括各种核心框架、OpenGL 等内容。
  • Darwin 即操作系统的核心，包括系统内核、驱动、Shell 等内容，这一层是开源的，其所有源码都可以在 opensource.apple.com 里找到。

我们在深入看一下 Darwin 这个核心的架构：

• 其中，在硬件层上面的三个组成部分：Mach、BSD、IOKit (还包括一些上面没标注的内容)，共同组成了 XNU 内核。

• XNU 内核的内环被称作 Mach，其作为一个微内核，仅提供了诸如处理器调度、IPC (进程间通信)等非常少量的基础服务。

• BSD 层可以看作围绕 Mach 层的一个外环，其提供了诸如进程管理、文件系统和网络等功能。
  IOKit 层是为设备驱动提供了一个面向对象(C++)的一个框架。

• Mach 本身提供的 API 非常有限，而且苹果也不鼓励使用 Mach 的 API，但是这些API非常基础，如果没有这些API的话，其他任何工作都无法实施。在 Mach 中，所有的东西都是通过自己的对象实现的，进程、线程和虚拟内存都被称为"对象"。和其他架构不同， 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。

Mach 的消息定义是在 <mach/message.h> 头文件的，很简单：

typedef struct {
   mach_msg_header_t header;
   mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t;

typedef struct {
   mach_msg_bits_t msgh_bits;
   mach_msg_size_t msgh_size;
   mach_port_t msgh_remote_port;
   mach_port_t msgh_local_port;
   mach_port_name_t msgh_voucher_port;
   mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t;

• 一条 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，发送和接受消息是通过同一个 API 进行的，其 option 标记了消息传递的方向：

mach_msg_return_t mach_msg(
    mach_msg_header_t *msg,
    mach_msg_option_t option,
    mach_msg_size_t send_size,
    mach_msg_size_t rcv_size,
    mach_port_name_t rcv_name,
    mach_msg_timeout_t timeout,
    mach_port_name_t notify
);

• 为了实现消息的发送和接收，mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap)，即函数mach_msg_trap()，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制，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，如下图：

RunLoop 的核心就是一个 mach_msg() (见上面代码的第7步)，RunLoop 调用这个函数去接收消息，如果没有别人发送 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态。例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App，然后在 App 静止时点击暂停，你会看到主线程调用栈是停留在 mach_msg_trap() 这个地方。

7、苹果用 RunLoop 实现的功能

首先我们可以看一下 App 启动后 RunLoop 的状态：

 CFRunLoop {
   current mode = kCFRunLoopDefaultMode
   common modes = {
       UITrackingRunLoopMode
       kCFRunLoopDefaultMode
   }

   common mode items = {

       // source0 (manual)
       CFRunLoopSource {order =-1, {
           callout = _UIApplicationHandleEventQueue}}
       CFRunLoopSource {order =-1, {
           callout = PurpleEventSignalCallback }}
       CFRunLoopSource {order = 0, {
           callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}

       // source1 (mach port)
       CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 17923}}
       CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 12039}}
       CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 16647}}
       CFRunLoopSource {order =-1, {
           callout = PurpleEventCallback}}
       CFRunLoopSource {order = 0, {port = 2407,
           callout = _ZL20notify_port_callbackP12__CFMachPortPvlS1_}}
       CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1c03,
           callout = __IOHIDEventSystemClientAvailabilityCallback}}
       CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1b03,
           callout = __IOHIDEventSystemClientQueueCallback}}
       CFRunLoopSource {order = 1, {port = 1903,
           callout = __IOMIGMachPortPortCallback}}

       // Ovserver
       CFRunLoopObserver {order = -2147483647, activities = 0x1, // Entry
           callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
       CFRunLoopObserver {order = 0, activities = 0x20,          // BeforeWaiting
           callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver}
       CFRunLoopObserver {order = 1999000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
           callout = _afterCACommitHandler}
       CFRunLoopObserver {order = 2000000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
           callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
       CFRunLoopObserver {order = 2147483647, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
           callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}

       // Timer
       CFRunLoopTimer {firing = No, interval = 3.1536e+09, tolerance = 0,
           next fire date = 453098071 (-4421.76019 @ 96223387169499),
           callout = _ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv (QuartzCore.framework)}
   },

   modes ＝ {
       CFRunLoopMode  {
           sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
           sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
           observers = { /* same as 'common mode items' */ },
           timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
       },

       CFRunLoopMode  {
           sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
           sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
           observers = { /* same as 'common mode items' */ },
           timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
       },

       CFRunLoopMode  {
           sources0 = {
               CFRunLoopSource {order = 0, {
                   callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
           },
           sources1 = (null),
           observers = {
               CFRunLoopObserver >{activities = 0xa0, order = 2000000,
                   callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
           )},
           timers = (null),
       },

       CFRunLoopMode  {
           sources0 = {
               CFRunLoopSource {order = -1, {
                   callout = PurpleEventSignalCallback}}
           },
           sources1 = {
               CFRunLoopSource {order = -1, {
                   callout = PurpleEventCallback}}
           },
           observers = (null),
           timers = (null),
       },
       
       CFRunLoopMode  {
           sources0 = (null),
           sources1 = (null),
           observers = (null),
           timers = (null),
       }
   }
}

可以看到，系统默认注册了5个Mode:
1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默认 Mode，通常主线程是在这个 Mode 下运行的。
2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟踪 Mode，用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他 Mode 影响。
3. 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。
4: GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。
5: kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位的 Mode，没有实际作用。

你可以在这里看到更多的苹果内部的 Mode，但那些 Mode 在开发中就很难遇到了。

当 RunLoop 进行回调时，一般都是通过一个很长的函数调用出去 (call out), 当你在你的代码中下断点调试时，通常能在调用栈上看到这些函数。下面是这几个函数的整理版本，如果你在调用栈中看到这些长函数名，在这里查找一下就能定位到具体的调用地点了：

 {
    /// 1. 通知Observers，即将进入RunLoop
    /// 此处有Observer会创建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);
    do {
 
        /// 2. 通知 Observers: 即将触发 Timer 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
        /// 3. 通知 Observers: 即将触发 Source (非基于port的,Source0) 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        /// 4. 触发 Source0 (非基于port的) 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        /// 6. 通知Observers，即将进入休眠
        /// 此处有Observer释放并新建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); _objc_autoreleasePoolPush();
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting);
 
        /// 7. sleep to wait msg.
        mach_msg() -> mach_msg_trap();
        
 
        /// 8. 通知Observers，线程被唤醒
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);
 
        /// 9. 如果是被Timer唤醒的，回调Timer
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);
 
        /// 9. 如果是被dispatch唤醒的，执行所有调用 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);
 
        /// 9. 如果如果Runloop是被 Source1 (基于port的) 的事件唤醒了，处理这个事件
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);
 
 
    } while (...);
 
    /// 10. 通知Observers，即将退出RunLoop
    /// 此处有Observer释放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

• 1、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，开发者也不必显示创建 Pool 了。

• 2、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。这个过程的详细情况可以参考这里。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。

• 3、手势识别

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。

• 4、界面更新

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，回调去执行一个很长的函数：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个函数里会遍历所有待处理的 UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。

这个函数内部的调用栈大概是这样的：

ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()
    QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback:
        CA::Transaction::commit();
            CA::Context::commit_transaction();
                CA::Layer::layout_and_display_if_needed();
                    CA::Layer::layout_if_needed();
                        [CALayer layoutSublayers];
                            [UIView layoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                        [CALayer display];
                            [UIView drawRect];

• 5、定时器

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。例如 10:00, 10:10, 10:20 这几个时间点。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。

如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则那个时间点的回调也会跳过去，不会延后执行。就比如等公交，如果 10:10 时我忙着玩手机错过了那个点的公交，那我只能等 10:20 这一趟了。

CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器（但实际实现原理更复杂，和 NSTimer 并不一样，其内部实际是操作了一个 Source）。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务，那其中就会有一帧被跳过去（和 NSTimer 相似），造成界面卡顿的感觉。在快速滑动TableView时，即使一帧的卡顿也会让用户有所察觉。Facebook 开源的 AsyncDisplayLink 就是为了解决界面卡顿的问题，其内部也用到了 RunLoop。

• 6、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。

• 7、关于GCD

实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西，比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 实现的 Timer（评论中有人提醒，NSTimer 是用了 XNU 内核的 mk_timer，我也仔细调试了一下，发现 NSTimer 确实是由 mk_timer 驱动，而非 GCD 驱动的）。但同时 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop， 例如 dispatch_async()。

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。、

• 8、关于网络请求

iOS 中，关于网络请求的接口自下至上有如下几层:

CFSocket
CFNetwork       ->ASIHttpRequest
NSURLConnection ->AFNetworking
NSURLSession    ->AFNetworking2, Alamofire

CFSocket 是最底层的接口，只负责 socket 通信。
• CFNetwork 是基于 CFSocket 等接口的上层封装，ASIHttpRequest 工作于这一层。
• NSURLConnection 是基于 CFNetwork 的更高层的封装，提供面向对象的接口，AFNetworking 工作于这一层。
• NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口，表面上是和 NSURLConnection 并列的，但底层仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 线程)，AFNetworking2 和 Alamofire 工作于这一层。

• 下面主要介绍下 NSURLConnection 的工作过程。

通常使用 NSURLConnection 时，你会传入一个 Delegate，当调用了 [connection start] 后，这个 Delegate 就会不停收到事件回调。实际上，start 这个函数的内部会会获取 CurrentRunLoop，然后在其中的 DefaultMode 添加了4个 Source0 (即需要手动触发的Source)。CFMultiplexerSource 是负责各种 Delegate 回调的，CFHTTPCookieStorage 是处理各种 Cookie 的。

当开始网络传输时，我们可以看到 NSURLConnection 创建了两个新线程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 线程是处理底层 socket 连接的。NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 来接收底层 socket 的事件，并通过之前添加的 Source0 通知到上层的 Delegate。

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通过一些基于 mach port 的 Source 接收来自底层 CFSocket 的通知。当收到通知后，其会在合适的时机向 CFMultiplexerSource 等 Source0 发送通知，同时唤醒 Delegate 线程的 RunLoop 来让其处理这些通知。CFMultiplexerSource 会在 Delegate 线程的 RunLoop 对 Delegate 执行实际的回调