RunLoop总结

作者: halo丶宋先生 | 来源:发表于2019-04-09 16:52 被阅读0次

RunLoop 的概念

一般来讲，一个线程一次只能执行一个任务，执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制，让线程能随时处理事件但并不退出。实现这种模型的关键点在于：如何管理事件/消息，如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。
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。

RunLoop 与线程的关系

首先，iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread。可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一对应的，CFRunLoop 是基于 pthread 来管理的。
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() 和 CFRunLoopGetCurrent()。这两个函数内部的逻辑大概是下面这样:

/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;
 
/// 获取一个 pthread 对应的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
    
    if (!loopsDic) {
        // 第一次进入时，初始化全局Dic，并先为主线程创建一个 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
    
    /// 直接从 Dictionary 里获取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
    
    if (!loop) {
        /// 取不到时，创建一个
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注册一个回调，当线程销毁时，顺便也销毁其对应的 RunLoop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
    
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

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）。

RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的结构大致如下：

struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;  /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef _name;   //mode名称
    Boolean _stopped;    //mode是否被终止
    char _padding[3];
    //几种事件
    CFMutableSetRef _sources0;  //sources0
    CFMutableSetRef _sources1;  //sources1
    CFMutableArrayRef _observers; //通知
    CFMutableArrayRef _timers;    //定时器
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap; //字典  key是mach_port_t，value是CFRunLoopSourceRef
    __CFPortSet _portSet; //保存所有需要监听的port，比如_wakeUpPort，_timerPort都保存在这个数组中
    CFIndex _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    dispatch_source_t _timerSource;
    dispatch_queue_t _queue;
    Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
    Boolean _dispatchTimerArmed;
#endif
#if USE_MK_TIMER_TOO
    mach_port_t _timerPort;
    Boolean _mkTimerArmed;
#endif
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
    DWORD _msgQMask;
    void (*_msgPump)(void);
#endif
    uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
    uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
};
 
struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;      /* locked for accessing mode list */
    __CFPort _wakeUpPort;       // used for CFRunLoopWakeUp  内核向该端口发送消息可以唤醒runloop
    Boolean _unused;
    volatile _per_run_data *_perRunData;          // reset for runs of the run loop
    pthread_t _pthread;      //RunLoop对应的线程
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;     //存储的是字符串，记录所有标记为common的mode
    CFMutableSetRef _commonModeItems;    //等同NSMutableSet 存储所有commonMode的item(source、timer、observer)
    CFRunLoopModeRef _currentMode;     //当前运行的mode
    CFMutableSetRef _modes;    //存储的是CFRunLoopModeRef
    struct _block_item *_blocks_head;   //doblocks的时候用到
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFTypeRef _counterpart;
};

一个 Mode 可以将自己标记为”Common”属性（通过其 ModeName 添加到 RunLoop 的 “commonModes” 中）。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。

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。
Runloop 要有效，mode 里面至少要有一个 timer (定时器事件) 或者是 source (源);
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。

系统默认注册了5个Mode：

NSDefaultRunLoopMode：App 的默认 Mode，通常主线程是在这个 Mode 下运行(默认情况下运行)
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(操作 UI 界面的情况下运行)
UIInitializationRunLoopMode：在刚启动 App 时进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用
GSEventReceiveRunLoopMode：接受系统事件的内部 Mode，通常用不到(绘图服务)
NSRunLoopCommonModes：这是一个占位用的 Mode，不是一种真正的 Mode (RunLoop无法启动该模式，设置这种模式下，默认和操作 UI 界面时线程都可以运行，但无法改变 RunLoop 同时只能在一种模式下运行的本质)

你可以用这个kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)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。
一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。每次调用RunLoop的主函数时，只能指定其中一个Mode，这个Mode被称作CurrentMode。如果需要切换 Mode，只能退出Loop，再重新指定一个Mode进入。这样做主要是为了分隔开不同组的Source/Timer/Observer，让其互不影响。

CFRunLoopSourceRef是事件产生的地方。Source有两个版本：Source0 和 Source1。

Source0 只包含了一个回调（函数指针），它并不能主动触发事件。使用时，你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个 Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop，让其处理这个事件。其作用范围是应用程序中事件，由App自己管理的UIEvent、CFSocket都是source0。
Source1 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。

struct __CFRunLoopSource {
    CFRuntimeBase _base;
    uint32_t _bits; //用于标记Signaled状态，source0只有在被标记为Signaled状态，才会被处理
    pthread_mutex_t _lock;
    CFIndex _order;         /* immutable */
    CFMutableBagRef _runLoops;
    union {
        CFRunLoopSourceContext version0;     /* immutable, except invalidation */
        CFRunLoopSourceContext1 version1;    /* immutable, except invalidation */
    } _context;
};

CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含一个时间长度和一个回调（函数指针）。当其加入到 RunLoop 时，RunLoop会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调。

struct __CFRunLoopTimer {
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;  //标记fire状态
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;        //添加该timer的runloop
    CFMutableSetRef _rlModes;     //存放所有 包含该timer的 mode的 modeName，意味着一个timer可能会在多个mode中存在
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;     //理想时间间隔  /* immutable */
    CFTimeInterval _tolerance;    //时间偏差      /* mutable */
    uint64_t _fireTSR;          /* TSR units */
    CFIndex _order;         /* immutable */
    CFRunLoopTimerCallBack _callout;    /* immutable */
    CFRunLoopTimerContext _context; /* immutable, except invalidation */
};

CFRunLoopObserverRef 是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：

struct __CFRunLoopObserver {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFIndex _rlCount;
    CFOptionFlags _activities;      /* immutable */
    CFIndex _order;         /* immutable */
    CFRunLoopObserverCallBack _callout; /* immutable 监听到对应状态的回调函数 (函数指针) */
    CFRunLoopObserverContext _context;  /* immutable, except invalidation  定义一个监听者的上下文*/
};

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即将进入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), // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop
};

上面的 Source/Timer/Observer 被统称为 mode item，一个 item可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。

RunLoop可以做些什么

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。

CAAnimation

我们知道CAAniamtion为我们提供的是补间动画，开发者只要给出始末状态后中间状态有系统自动生成。那么动画是怎么出现的呢，是开发者给出始末状态后，系统计算出每一个中间态的各项参数，然后启一个定时器不断去回调并改变属性。

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。

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。

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。

⚠️⚠️⚠️
源码：
https://opensource.apple.com/tarballs/CF/
参考：
https://www.jianshu.com/p/d6c5c0bf97fd
https://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/
https://www.cnblogs.com/wenxp2006/articles/6065781.html

RunLoop总结

RunLoop 的概念

RunLoop 与线程的关系

RunLoop 对外的接口

RunLoop可以做些什么

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