RunLoop介绍

RunLoop三篇文章：
RunLoop介绍篇
RunLoop内部调用过程
RunLoop应用篇

本篇包括以下内容：

• RunLoop简介
• RunLoop相关类
• RunLoop原理

1. RunLoop简介

1.1 什么是RunLoop？

可以理解为字面意思：Run表示运行，Loop表示循环。结合在一起就是运行的循环的意思。哈哈，我更愿意翻译为『跑圈』。直观理解就像是不停的跑圈。

RunLoop实际上是一个对象，这个对象在循环中用来处理程序运行过程中出现的各种事件（比如说触摸事件、UI刷新事件、定时器事件、Selector事件），从而保持程序的持续运行；而且在没有事件处理的时候，会进入睡眠模式，从而节省CPU资源，提高程序性能。

1.2 RunLoop和线程

RunLoop和线程是息息相关的，我们知道线程的作用是用来执行特定的一个或多个任务，但是在默认情况下，线程执行完之后就会退出，就不能再执行任务了。这时我们就需要采用一种方式来让线程能够处理任务，并不退出。所以，我们就有了RunLoop。

一条线程对应一个RunLoop对象，每条线程都有唯一一个与之对应的RunLoop对象，除了主线程外，其他线程都需要显示的创建和维护Runloop对象。
我们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，当然也可以中途手动退出。
主线程的RunLoop对象系统自动帮助我们创建好了(原理如下)，而子线程的RunLoop对象需要我们主动创建。

1.3 默认情况下主线程的RunLoop原理

我们在启动一个iOS程序的时候，系统会调用创建项目时自动生成的main.m的文件。main.m文件如下所示：

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

其中UIApplicationMain函数内部帮我们开启了主线程的RunLoop，UIApplicationMain内部拥有一个无线循环的代码。上边的代码中开启RunLoop的过程可以简单的理解为如下代码：

int main(int argc, char * argv[]) {        
    BOOL running = YES;
    do {
        // 执行各种任务，处理各种事件
        // ......
    } while (running);

    return 0;
}

从上边可看出，程序一直在do-while循环中执行，所以UIApplicationMain函数一直没有返回，我们在运行程序之后程序不会马上退出，会保持持续运行状态。

下图是苹果官方给出的RunLoop模型图。

从上图中可以看出，RunLoop就是线程中的一个循环，RunLoop在循环中会不断检测，通过Input sources（输入源）和Timer sources（定时源）两种来源等待接受事件；然后对接受到的事件通知线程进行处理，并在没有事件的时候进行休息。

2. RunLoop相关类

下面我们来了解一下Core Foundation框架下关于RunLoop的5个类，只有弄懂这几个类的含义，我们才能深入了解RunLoop运行机制。

• CFRunLoopRef：代表RunLoop的对象
• CFRunLoopModeRef：RunLoop的运行模式
• CFRunLoopSourceRef：就是RunLoop模型图中提到的输入源/事件源
• CFRunLoopTimerRef：就是RunLoop模型图中提到的定时源
• CFRunLoopObserverRef：观察者，能够监听RunLoop的状态改变

下边详细讲解下几种类的具体含义和关系。

先来看一张表示这5个类的关系图。

接着来讲解这5个类的相互关系。

一个RunLoop对象（CFRunLoopRef）中包含若干个运行模式（CFRunLoopModeRef）。而每一个运行模式下又包含若干个输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef）。

• 每次RunLoop启动时，只能指定其中一个运行模式（CFRunLoopModeRef），这个运行模式（CFRunLoopModeRef）被称作CurrentMode。
• 如果需要切换运行模式（CFRunLoopModeRef），只能退出Loop，再重新指定一个运行模式（CFRunLoopModeRef）进入。
• 这样做主要是为了分隔开不同组的输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef），让其互不影响。

用一张图来总结它们就是这种关系：

下边我们来详细讲解下这五个类：

2.1 CFRunLoopRef

CFRunLoopRef就是Core Foundation框架下RunLoop对象类。我们可通过以下方式来获取RunLoop对象：

• Core Foundation
  • CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
  • CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的RunLoop对象

当然，在Foundation框架下获取RunLoop对象类的方法如下：

• Foundation
  • [NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
  • [NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的RunLoop对象

2.2 CFRunLoopModeRef

系统默认定义了多种运行模式（CFRunLoopModeRef），如下：

1. kCFRunLoopDefaultMode：App的默认运行模式，通常主线程是在这个运行模式下运行
2. 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）
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：接受系统内部事件，通常用不到
5. kCFRunLoopCommonModes：伪模式，不是一种真正的运行模式（后边会用到）

其中kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode、kCFRunLoopCommonModes是我们开发中需要用到的模式，具体使用方法我们在 2.3 CFRunLoopTimerRef 中结合CFRunLoopTimerRef来演示说明。

2.3 CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopTimerRef是定时源（RunLoop模型图中提到过），理解为基于时间的触发器，基本上就是NSTimer（哈哈，这个理解就简单了吧）。

下面我们来演示下CFRunLoopModeRef和CFRunLoopTimerRef结合的使用用法，从而加深理解。

1. 首先我们新建一个iOS项目，在Main.storyboard中拖入一个Text View。
2. 在ViewController.m文件中加入以下代码，来演示。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 定义一个定时器，约定两秒之后调用self的run方法
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

    // 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

- (void)run
{
    NSLog(@"---run");
}

3. 然后运行，这时候我们发现如果我们不对模拟器进行任何操作的话，定时器会稳定的每隔2秒调用run方法打印。
4. 但是当我们拖动Text View滚动时，我们发现：run方法不打印了，也就是说NSTimer不工作了。而当我们松开鼠标的时候，NSTimer就又开始正常工作了。

这是因为：

• 当我们不做任何操作的时候，RunLoop处于NSDefaultRunLoopMode下。
• 而当我们拖动Text View的时候，RunLoop就结束NSDefaultRunLoopMode，切换到了UITrackingRunLoopMode模式下，这个模式下没有添加NSTimer，所以我们的NSTimer就不工作了。
• 但当我们松开鼠标的时候，RunLoop就结束UITrackingRunLoopMode模式，又切换回NSDefaultRunLoopMode模式，所以NSTimer就又开始正常工作了。

你可以试着将上述代码中的[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];语句换为[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];，也就是将定时器添加到当前RunLoop的UITrackingRunLoopMode下，你就会发现定时器只会在拖动Text View的模式下工作，而不做操作的时候定时器就不工作。

那难道我们就不能在这两种模式下让NSTimer都能正常工作吗？

当然可以，这就用到了我们之前说过的伪模式（kCFRunLoopCommonModes），这其实不是一种真实的模式，而是一种标记模式，意思就是可以在打上Common Modes标记的模式下运行。

那么哪些模式被标记上了Common Modes呢？

NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode。

所以我们只要我们将NSTimer添加到当前RunLoop的kCFRunLoopCommonModes（Foundation框架下为NSRunLoopCommonModes）下，我们就可以让NSTimer在不做操作和拖动Text View两种情况下愉快的正常工作了。

具体做法就是讲添加语句改为[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

既然讲到了NSTimer，这里顺便讲下NSTimer中的scheduledTimerWithTimeInterval方法和RunLoop的关系。添加下面的代码：

[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

这句代码调用了scheduledTimer返回的定时器，NSTimer会自动被加入到了RunLoop的NSDefaultRunLoopMode模式下。这句代码相当于下面两句代码：

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

2.4 CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef是事件源（RunLoop模型图中提到过），CFRunLoopSourceRef有两种分类方法。

• 第一种按照官方文档来分类（就像RunLoop模型图中那样）：

  • Port-Based Sources（基于端口）
  • Custom Input Sources（自定义）
  • Cocoa Perform Selector Sources

• 第二种按照函数调用栈来分类：

  • Source0 ：非基于Port
  • Source1：基于Port，通过内核和其他线程通信，接收、分发系统事件

这两种分类方式其实没有区别，只不过第一种是通过官方理论来分类，第二种是在实际应用中通过调用函数来分类。

下边我们举个例子大致来了解一下函数调用栈和Source。

1. 在我们的项目中的Main.storyboard中添加一个Button按钮，并添加点击动作。

2. 然后在点击动作的代码中加入一句输出语句，并打上断点，如下图所示：

3. 然后运行程序，并点击按钮。

4. 然后在项目中单击下图红色部分。

5. 可以看到如下图所示的就是点击事件产生的函数调用栈。

所以，点击事件是这样来的：

1. 首先启动程序，调用16行的main函数，main函数调用15行的UIApplicationMain函数，然后一直往上调用函数，最终调用到0行的BtnClick函数，即点击函数。

2. 同时我们可以看到11行中有Source0，也就是说我们点击函数是属于Source0函数的，点击事件就是在Source0中处理的。

3. 而至于Source1，则是用来接收、分发系统事件，然后在分发到Source0中处理的。

2.5 CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserver是观察者，用来监听RunLoop的状态改变。

CFRunLoopObserver可以监听的状态改变有以下几种：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),               // 即将进入Loop：1
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),        // 即将处理Timer：2    
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),       // 即将处理Source：4
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),       // 即将进入休眠：32
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),        // 即将从休眠中唤醒：64
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),                // 即将从Loop中退出：128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU       // 监听全部状态改变  
};

下边我们通过代码来监听下RunLoop中的状态改变。

1. 在viewController.m中添加如下代码。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 创建观察者
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        NSLog(@"监听到RunLoop发生改变---%zd",activity);
    });

    // 添加观察者到当前RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);

    // 释放observer，最后添加完需要释放掉
    CFRelease(observer);
}

2. 然后运行，看下打印结果:

2018-05-21 14:10:18.694917+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---2
2018-05-21 14:10:18.695057+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---4
2018-05-21 14:10:18.695230+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---2
2018-05-21 14:10:18.695338+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---4
2018-05-21 14:10:18.696426+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---2
2018-05-21 14:10:18.696564+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---4
2018-05-21 14:10:18.696686+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---2
2018-05-21 14:10:18.696784+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---4
2018-05-21 14:10:18.696904+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---32
2018-05-21 14:10:18.713356+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---64
2018-05-21 14:10:18.713527+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---2
2018-05-21 14:10:18.713655+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---4
2018-05-21 14:10:18.713759+0800 RunLoop[2305:184915] 监听到RunLoop发生改变---32

可以看到RunLoop状态在不断的变化，最终变成了状态32，也就是即将进入睡眠状态，说明RunLoop之后就会进入睡眠状态。

3.RunLoop原理

好了，五个类都讲解完了，下边开始放大招了。这下我们就可以来理解RunLoop的运行逻辑了。

下边是runloop运行逻辑图

这张图对于我们理解RunLoop来说太有帮助了，下边我们可以来说下官方文档给我们的RunLoop逻辑。

在每次运行开启RunLoop的时候，所在线程的RunLoop会自动处理之前未处理的事件，并且通知相关的观察者。

具体顺序如下：

1. 通知观察者RunLoop已经启动
2. 通知观察者即将要开始的定时器
3. 通知观察者任何即将要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
5. 如果基于端口的源准备好并处于等待状态，立即启动，并进入步骤9
6. 通知观察者线程进入休眠状态
7. 将线程置于休眠直到任一下面的时间发生：
   • 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被显示唤醒
8. 通知观察者线程即将被唤醒
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被显示唤醒且事件还没超时，重启RunLoop。进入步骤2
10. 通知观察者RunLoop结束

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