iOS面试题:猜想 runloop 内部是如何实现的?

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iOS猿_员
0.5 2019.01.29 20:33* 字数 2995

原文:iOS面试题大全

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,通常的代码逻辑 是这样的:

    function loop() {
        initialize();
        do {
            var message = get_next_message();
            process_message(message);
        } while (message != quit);
    }

其内容运行的逻辑大致如图所示:

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。

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。

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);
    }

几个相关特性的实现:

几个相关特性的实现:
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()_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。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。

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。

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];

定时器

NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef,他们之间是 toll-free bridged 的。NSTimer 是用了 XNU 内核的 mk_timer 驱动,而非 GCD 驱动的。

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。

PerformSelector

当调用 NSObject 的 performSelector: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

实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西。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。

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,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。

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。

RunLoop 的实际应用举例

1)AFNetworking

AFNetworking 中的 AFURLConnectionOperation这个类是基于 NSURLConnection 构建的,其希望能在后台线程接收 Delegate 回调。为此 AFNetworking 单独创建了一个线程,并在这个线程中启动了一个 RunLoop:

    + (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;
    }

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。通常情况下,调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内;但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出,并没有用于实际的发送消息。

当需要这个后台线程执行任务时,AFNetworking 通过调用 [NSObject performSelector:onThread:..] 将这个任务扔到了后台线程的 RunLoop 中。

2)AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架,其原理大致如下:

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。

iOS面试题小集
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