iOS学习之深入理解RunLoop

RunLoop的定义与概念

RunLoop的主要作用

main函数中的RunLoop

RunLoop与线程的关系

RunLoop的消息种类

RunLoop的对外接口

RunLoop的mode

RunLoop的内部逻辑

RunLoop在iOS中内部的应用

RunLoop在iOS开发中的实践

总结

参考文献

RunLoop的定义与概念

  • 顾名思义 RunLoop, 就是一个在Run的loop,就是一个一直在跑的圈。其本质就是无休止的while循环。一般的程序都是执行完任务后便结束。但由于手机应用的特殊性,在其不执行任务时,也不能将其杀死,而是暂时休眠状态,直到有外部或内部因素将其唤醒,继续run。直到用户手动将该程序彻底关闭。
  • 这种模型通常被称作 Event Loop。 Event Loop 在很多系统和框架里都有实现,比如 Node.js 的事件处理,比如 Windows 程序的消息循环,再比如 OSX/iOS 里的 RunLoop。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。
  • RunLoop 实际上就是一个对象,这个对象管理了其需要处理的事件和消息,并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后,就会一直处于这个函数内部 “接受消息->等待->处理” 的循环中,直到这个循环结束(比如传入 quit 的消息),函数返回。
  • 程序例程如下:
    // 无Runloop,程序执行完后,直接返回
int main(int argc,char * argv[]){
        NSLog(@"execute main function");---->程序开始
        return 0; ------------------------->程序结束
}
// 有Runloop
int main(int argc,char * argv[]){
        BOOL running = YES; -------->程序开始
        do {------------------------------
    // 执行各种任务,处理各种事件------持续运行
        }while(running);---------------------
        return 0;
}

  • OSX/iOS 系统中,提供了两个这样的对象:NSRunLoopCFRunLoopRef
    • 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的主要作用

  • 使程序一直运行并接收用户的输入
  • 决定程序在何时处理哪些事件
  • 调用解耦(主调方产生很多事件,不用等到被调方处理完事件之后,才能执行其他操作)
  • 节省CPU时间(当程序启动后,什么都没有执行的话,就不用让CPU来消耗资源来执行,直接进入睡眠状态)

main函数中的RunLoop

  • 由于手机应用的特殊性,所以在iOS程序中,main 函数内部也启动了一个RunLoop
  • 程序如下
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 RunLoopUIApplicationMain 内部拥有一个无线循环的代码。这个 UIApplicationMain 函数帮我们启动的 RunLoop 属于程序的主线程所有,所以我们不需要再为主线程开启 RunLoop。由于我们的程序在主线程上拥有一个 RunLoop ,所以我们将程序打开后,执行完它所需要的任务后,不一定非要退出程序,而是可以选择将其后台挂起。一切都是因为 主线程上RunLoop 的关系,我们的程序才可以长时间持续运行。

RunLoop与线程的关系

  • RunLoop 与线程可以说是一一对应的关系。但是不一定一定是一对一,有可能是0对1。因为只有在主线程中,我们的iOS程序帮助我们开启了 RunLoop。而在我们自己定义或系统帮我们开启的子线程中,如果我们不显式的“创建” RunLoop ,我们的子线程就没有Runloop。这里所谓的“创建”,并不是直接创建 RunLoop ,而是通过调用获取 RunLoop 的方法来完成 RunLoop 的创建,因为在 RunLoop 的内部,实际上是通过懒加载方法创建的。这也是我们如果不调用 获取 方法,就不会获得 RunLoop 的原因。
  • 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)。
  • 获取 Runloop 的方法如下:
    • 在 Core Foundation 中

      • CFRunLoopGetMain() // 获取主线程的Runloop
      • CFRunLoopGetCurrent() // 获取当前线程的Runloop
    • 在 Cocoa 中

      • [NSRunLoop currentRunLoop]
    • CFRunLoopRefNSRunLoop 可以转化, NSRunLoop 使用 getCFRunLoop方法就可以得到 CFRunLoopRef 对象

  • 示例代码如下:
/// 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());
}
  • 由代码可以看出,RunLoop 实际上是由字典来进行保存的,这也更加印证了 RunLoop 与线程之间一一对应的关系。

RunLoop的消息种类

  • 这是apple官方文档的一张图, 表示了Runloop的消息种类。


    Runloop的消息种类
  • 这张图我也没有特别看懂,主要是讲的Runloop的两种输入源。官方文档的解释是

    • InputSources : 用来投递异步消息,通常消息来自另外的线程或者程序.在接受到消息并调用指定的方法时,线程对应的 NSRunLoop 对象会通过执行 runUntilDate:方法来退出.
    • Timer Source: 用来投递 timer 事件(Schedule 或者 Repeat)中的同步消息.在消息处理时,并不会退出 RunLoop.
      RunLoop 除了处理以上两种 Input Soruce,它也会在运行过程中生成不同的 notifications,标识 runloop 所处的状态,因此可以给 RunLoop 注册观察者 Observer,以便监控 RunLoop 的运行过程,并在 RunLoop 进入某些状态时候进行相应的操作, Apple 只提供了 Core Foundation 的 API来给 RunLoop 注册观察者Observer.

RunLoop的对外接口

  • 在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:
    • CFRunLoopRef
    • CFRunLoopModeRef
    • CFRunLoopSourceRef
    • CFRunLoopTimerRef
    • CFRunLoopObserverRef
  • 其中 CFRunLoopModeRef 类并没有对外暴露,只是通过 CFRunLoopRef 的接口进行了封装。他们的关系如下:


    Runloop的包含元素
  • 由图片可以看出,一个 Runloop 中,含有数个 mode ,而其中每个 mode 又包含数个 source, observer, timer。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。
  • 在这里需要注意的是,在辅助线程启动 runloop 之前, 你必须至少在其中添加一个 input source 或者 timer(详见第三章 Runloop的消息种类). 如果一个 runloop 中没有一个事件源sources, runloop 会在你启动它以后立即退出.
  • 在添加了 source 以后,你可以给 runloop 添加 observers 来监测 runloop 的不同的执行的状态.为了加入 observer, 你应该创建一个 CFRunLoopObserverRef,使用 CFRunLoopAddObserver 函数添加 observer 到你的 runloop.
  • 下面来具体介绍 Runloop 对外提供的这几种接口
    • 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。
      • Source1 包含了一个 mach_port(很重要的概念) 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,具体的请看下面的代码。
    • 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。
    • 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:
    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 32
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒 64
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop 128
};
  • 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的mode

  • CFRunLoopModeCFRunLoop 的结构大致如下:
struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef _sources0;    // Set
    CFMutableSetRef _sources1;    // Set
    CFMutableArrayRef _observers; // Array
    CFMutableArrayRef _timers;    // Array
    ...
};
 
struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set
    ...
};

  • 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。
  • 我们平时主要应用的 mode 有 kCFRunLoopDefaultModeUITrackingRunLoopMode 两种, 其中 kCFRunLoopDefaultMode(在cocoa中也叫NSDefaultRunLoopMode)是我们开启一个 RunLoop 时默认的 mode 方式。 而 UITrackingRunLoopMode 主要是追踪 ScrollView 滑动时的状态。

  • 这里有个概念叫 “CommonModes”:一个 Mode 可以将自己标记为”Common”属性(通过将其 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。需要注意的是: “CommonModes”并不是一个真正的 mode , 它实际上是一个 数组 里面放入了 kCFRunLoopDefaultModeUITrackingRunLoopMode

  • 应用场景举例:主线程的 RunLoop 里有两个预置的 Mode:kCFRunLoopDefaultModeUITrackingRunLoopMode。这两个 Mode 都已经被标记为”Common”属性。DefaultMode 是 App 平时所处的状态,UITrackingRunLoopMode 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 UITrackingRunLoopMode,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。

RunLoop的内部逻辑

  • 先放一张我认为非常好的图,其中还是有些错误之处,根据官方文档,第7步:休眠,等待唤醒的source种类应该是source1,而不是source0。


    Runloop的内部逻辑
  • 内部代码实现如下 如果嫌太长,直接看注释即可。

/// 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);
}

  • 可以注意到,在这段代码在第5步,跳转到第9步执行source1的事件时,使用了 goto 语句,可见,专注底层的大神就是跟我们普通人不一样啊哈哈哈。
  • 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。
  • 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。
  • 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:
    image

RunLoop在iOS中内部的应用

  • 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);
}

AutoreleasePool (非常重要)

  • 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。

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。
  • 需要注意的是 基于UI的事件响应,都是属于 source1 的,虽然打印信息栈时,显示的是 source0 ,但实际上,首先是由Source1 接收 IOHIDEvent ,之后在回调 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback() 内触发的 Source0,Source0 再触发的 _UIApplicationHandleEventQueue()。所以 UIButton 事件看到是在 Source0 内的。

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。

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。

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。

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。

关于GCD

  • GCD 本身与 RunLoop 是属于平级的关系。 他们谁也不包含谁,但是他们之间存在着协作的关系。
  • 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在iOS开发中的实践

AFNetworking

  • 这里有一个已经被将烂了的例子,即 AFNetworking 内部的 AFURLConnectionOperation 类,使用 RunLoop 来保持“长连接”, 目的是为了让 RunLoop 不至于退出,并没有用于实际的发送消息。 因为RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Observer/Source,所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。
  • 代码如下:
+ (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;
}
  • 这里有一个坑,是否 AFNetworking 这样做了,我们就可以跟着这样做来保持回调的 “长连接” 呢? 答案是否定的。

AsyncDisplayKit

  • UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿,这类任务通常分为3类:排版,绘制,UI对象操作。
  • 排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。
    绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。
    UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。
  • 其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行,而最后一类操作只能在主线程完成,并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果 (例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小)。ASDK 所做的,就是尽量将能放入后台的任务放入后台,不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。
  • 为此,ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode 的对象,并在内部封装了 UIView/CALayer,它具有和 UIView/CALayer 相似的属性,例如 frame、backgroundColor等。所有这些属性都可以在后台线程更改,开发者可以只通过 Node 来操作其内部的 UIView/CALayer,这样就可以将排版和绘制放入了后台线程。但是无论怎么操作,这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView/CALayer 去。
  • ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式,实现了一套类似的界面更新的机制:即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer,监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件,在收到回调时,遍历所有之前放入队列的待处理的任务,然后一一执行。
    具体的代码可以看这里:_ASAsyncTransactionGroup。

ImageView推迟显示

  • 利用PerformSelector设置当前线程的RunLoop的运行模式

    [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"tupian"] afterDelay:4.0 inModes:NSDefaultRunLoopMode];
    
    

后台常驻线程(很常用)

  • 解释上述 AFNetworking 长时间连接问题 。

  • 方法1即 AFNetworking 中使用的方法,它使得 thread 在打开后,使用结束方法CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent())并没有正常结束,该结束方法对这个创建 Thread 的方式无效。所以导致了内存暴增,图如下

    image

image
  • 方法2 如图,由于它是一个非线程阻塞的方法,所以有时在线程还已经退出后,才开始暂停这个线程,自然会使得程序崩溃。


    image
  • 方法3 才是我推荐的方法 ,它可以正确的创建一个后台常驻线程。


    image
    • 执行结果如下


      image
  • 下面解释一下原理吧

    • CFRunLoopStop() 方法只会结束当前的 runMode:beforeDate: 调用,而不会结束后续的调用。
    • 而我们所知道,系统所谓的 run() 方法,实际上就是在内部不断地调用runMode:beforeDate:方法,而所谓的runUntilDate:方法,也是有限的调用runMode:beforeDate:方法。只是它们所传的参数都是DefaultMode罢了。
    • 而正常结束一个 RunLoop 的方法只有两种
      • 设置超时时间
      • 使用CFRunLoopStop()方法手动将 RunLoop 结束。
    • 一般我们使用设置超时时间即可,但是在网络传输中,我们想达到的目标就是在精准的时间点结束 RunLoop, 所以我们需要使用CFRunLoopStop()方法手动将 RunLoop 结束。
    • CFRunLoopStop()方法的定义中说了。

    The difference is that you can use this technique on run loops you started unconditionally.

    • 官方文档在 run 方法的定义中则说

    If you want the run loop to terminate, you shouldn't use this method

    • 这也就表示了,如果还想从 RunLoop 中退出,就不能使用 run 方法来 run 一个 loop。
    • 并且重要的是, CFRunLoopStop() 方法只会结束当前的 runMode:beforeDate: 调用,而不会结束后续的调用。这也就是为什么 Runloop 的文档中说CFRunLoopStop() 可以 exit(退出) 一个 RunLoop,而在 run 等方法的文档中又说这样会导致 RunLoop 无法 terminate(终结)。

总结

  • 以前对 RunLoop 可以说是一窍不通, 只知道有这么个名词,在实际的编程中,也从来没有使用过,一直都想深入研究一下,索性这两天比较用时间,就花了两天时间找了大量的资料来理解,总结 RunLoop, 在这个过程中难免会有很多疏漏,也请有缘看到这篇文章的你们不吝赐教。谢谢O(∩_∩)O~

参考文献

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