Runloop原理

作者: Queen_BJ | 来源:发表于2020-09-15 11:59 被阅读0次

一、讲一下对Runloop的理解？

Runloop就是一个运行循环，它保证了在没有任务的时候线程不退出，有任务的时候即使响应。Runloop跟线程，事件响应，手势识别，页面更新，定时器都有着紧密联系。

无消息处理时，休眠避免资源占用，由用户态切换到内核态CPU-内核态和用户态
有消息处理时，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

//无限循环代码模式(伪代码)
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;
}

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、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

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
监听所有状态活动

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

关系图

三、RunLoop的Mode

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Mode1上时，是无法接受处理Mode2或Mode3上的Source、Timer、Observer事件的

总共是有五种CFRunLoopMode:

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

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

Mach消息发送机制

大致过程为：

通知观察者 RunLoop 即将启动
通知观察者即将要处理Timer事件
通知观察者即将要处理source0事件
处理source0事件
如果基于端口的源(Source1)准备好并处于等待状态，进入步骤9
通知观察者线程即将进入休眠状态
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
1、一个基于 port 的Source1 的事件(图里应该是source0)。
2、一个 Timer 到时间了。
3、RunLoop 自身的超时时间到了
4、被其他调用者手动唤醒
通知观察者线程将被唤醒
处理唤醒时收到的事件
1、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
2、如果输入源启动，传递相应的消息
3、如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时，重启RunLoop。进入步骤2
通知观察者RunLoop结束

五、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

六、RunLoop和线程

线程和runloop是一一对应的，其映射关系保存在一个全局字典里。
自己创建的线程默认是没有开启runloop的
问题一：如何创建一个常驻线程？
步骤：
1、为当前线程开始一个runloop
（第一次调用[NSRunLoop currentRunLoop]方法时实际是会先创建一个runlopp）
2、向当前线程开始一个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];
        
    }

参考创建常驻线程

问题二、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");
    });

问题三、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？
当我们在子线程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]];