Runloop--处理逻辑

学习Runloop

Threading Programming Guide
Core Foundation开源代码(包含Runloop)

Runloop处理逻辑

每次运行runloop，你的线程的runloop会自动处理之前未处理的消息，并通知相关的观察者。具体的顺序如下：

  1. 通知观察者runloop已经启动

  2. 通知观察者任何即将要开始的定时器

  3. 通知观察者任何即将启动的非基于端口的源

  4. 处理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，则立即处理，跳至步骤9

  6. 通知观察者线程进入休眠

  7. 将线程置于休眠直到任一下面的事件发生：

    某一事件达到基于端口的源
    定时器启动
    runloop设置的时间已经超时
    runloop被显式唤醒

  8. 通知观察者线程将被唤醒

  9. 判断唤醒的事件类型并处理：

    如果是用户定义的定时器事件，则处理并重新开始Runloop，跳至步骤2
    如果是一个事件源，则传递事件并重新开始Runloop，跳至步骤2
    如果被显式唤醒，并且还没超时，则重新开始Runloop，跳至步骤2

  10. 通知观察者runloop结束。

Runloop处理逻辑图

Runloop事件类型

RunLoop主要处理以下6类事件回调：

static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__();
static void __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__();

  1. Observer事件：runloop中状态变化时进行通知。比如，CAAnimation是由RunloopObserver触发回调来布局和重绘。

  2. Block事件：非延迟的[NSObject performSelector:]，CFRunLoopPerformBlock()。

  3. Main_Dispatch_Queue事件：GCD中dispatch到main queue的block会被dispatch到main loop执行。比如dispatch_async,dispatch_after。

  4. Timer事件：延迟的[NSObject performSelector:]，timer事件。

  5. Source0事件：处理如UIEvent，CFSocket这类事件。触摸事件其实是Source1接收系统事件后在回调 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()内触发的 Source0，Source0 再触发的_UIApplicationHandleEventQueue()。source0一定是要唤醒runloop及时响应并执行的，如果runloop此时在休眠等待系统的 mach_msg事件，那么就会通过source1来唤醒runloop执行。自定义的Source0事件，需要手动触发：

    CFRunLoopSourceSignal(source); //触发事件
    CFRunLoopWakeUp(runloop);//唤醒runloop处理事件
  1. Source1事件：系统内核的mach_msg事件。比如，CADisplayLink。

所有的事件可以分为两类：

  1. 非基于port的事件：Observer事件、Block事件、Source0事件
  2. 基于port的事件: Timer事件、Dispatch事件、Source1事件

Runloop核心源代码：

__CFRunLoopMode

 struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;  /* must have the run loop locked before locking this */
//mode名
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    char _padding[3];
//source0 源
    CFMutableSetRef _sources0;
//source1 源
    CFMutableSetRef _sources1;
//observer 源
    CFMutableArrayRef _observers;
//timer 源
    CFMutableArrayRef _timers;

//mach port 到 source1 的映射,为了在runloop主逻辑中过滤runloop自己的port消息。
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;

//记录了所有当前mode中需要监听的port，作为调用监听消息函数的参数。
    __CFPortSet _portSet;
    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
//使用 mk timer， 用到的mach port，和source1类似，都依赖于mach port
    mach_port_t _timerPort;
    Boolean _mkTimerArmed;
#endif
//timer触发的理想时间
    uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
//timer触发的实际时间，理想时间加上tolerance（偏差）
    uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
};

__CFRunLoop

struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;          /* locked for accessing mode list */

//用于手动将当前runloop线程唤醒，通过调用CFRunLoopWakeUp完成，CFRunLoopWakeUp会向_wakeUpPort发送一条消息
    __CFPort _wakeUpPort;           // used for CFRunLoopWakeUp 
    Boolean _unused;
    volatile _per_run_data *_perRunData;              // reset for runs of the run loop
    pthread_t _pthread;
    uint32_t _winthread;
//记录了当前runloop中所有的mode名
    CFMutableSetRef _commonModes;
//记录了当前runloop中所有注册到commonMode中的源
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
//记录了添加到runloop中的block，它也可以像其他源一样被runloop处理，通过CFRunLoopPerformBlock可向runloop中添加block任务。
    struct _block_item *_blocks_head;
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFTypeRef _counterpart;
};

__CFRunLoopRun()

static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
    //获取系统启动之后cpu嘀嗒数
    uint64_t startTSR = mach_absolute_time();
    if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
        __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
    return kCFRunLoopRunStopped;
    } else if (rlm->_stopped) {
    rlm->_stopped = false;
    return kCFRunLoopRunStopped;
    }

    //mach 端口, 线程之间通信的对象
    mach_port_name_t dispatchPort = MACH_PORT_NULL;
    //这里主要是为了判断当前线程是否为主线程        
    Boolean libdispatchQSafe = pthread_main_np() && ((HANDLE_DISPATCH_ON_BASE_INVOCATION_ONLY && NULL == previousMode) || (!HANDLE_DISPATCH_ON_BASE_INVOCATION_ONLY && 0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ)));
    if (libdispatchQSafe && (CFRunLoopGetMain() == rl) && CFSetContainsValue(rl->_commonModes, rlm->_name)) dispatchPort = _dispatch_get_main_queue_port_4CF();

    //使用GCD实现runloop超时功能
    dispatch_source_t timeout_timer = NULL;
    struct __timeout_context *timeout_context = (struct __timeout_context *)malloc(sizeof(*timeout_context));
    //seconds是设置的runloop超时时间
    if (seconds <= 0.0) { // instant timeout
        seconds = 0.0;
        timeout_context->termTSR = 0ULL;
    } else if (seconds <= TIMER_INTERVAL_LIMIT) {
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, DISPATCH_QUEUE_OVERCOMMIT);
    timeout_timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);
        dispatch_retain(timeout_timer);
    timeout_context->ds = timeout_timer;
    timeout_context->rl = (CFRunLoopRef)CFRetain(rl);
    timeout_context->termTSR = startTSR + __CFTimeIntervalToTSR(seconds);
    dispatch_set_context(timeout_timer, timeout_context); // source gets ownership of context
    dispatch_source_set_event_handler_f(timeout_timer, __CFRunLoopTimeout);
        dispatch_source_set_cancel_handler_f(timeout_timer, __CFRunLoopTimeoutCancel);
        uint64_t ns_at = (uint64_t)((__CFTSRToTimeInterval(startTSR) + seconds) * 1000000000ULL);
        dispatch_source_set_timer(timeout_timer, dispatch_time(1, ns_at), DISPATCH_TIME_FOREVER, 1000ULL);
        dispatch_resume(timeout_timer);
    } else { // infinite timeout
        seconds = 9999999999.0;
        timeout_context->termTSR = UINT64_MAX;
    }
    Boolean didDispatchPortLastTime = true;
    int32_t retVal = 0;
    do {
        uint8_t msg_buffer[3 * 1024];
        mach_msg_header_t *msg = NULL;
        mach_port_t livePort = MACH_PORT_NULL;
    __CFPortSet waitSet = rlm->_portSet;
        __CFRunLoopUnsetIgnoreWakeUps(rl);
        //rl->_perRunData->ignoreWakeUps = 0x0;
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
//Perform blocks queued by CFRunLoopPerformBlock;
    __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        //如果rl中有source0消息
        if (sourceHandledThisLoop) {
            //处理block  Perform blocks newly queued by CFRunLoopPerformBlock;
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
       }
//poll标志着有没有处理source0的消息，如果没有则为false，反之为true
        Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);
        //第一次进来不走这个逻辑，didDispatchPortLastTime是true
        if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
            msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
            //__CFRunLoopServiceMachPort用于接受指定端口(一个也可以是多个)的消息,最后一个参数代表当端口无消息的时候是否休眠,0是立刻返回不休眠,
            //TIMEOUT_INFINITY代表休眠
            //处理通过GCD派发到主线程的任务,这些任务优先级最高会被最先处理
            if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0)) {
                goto handle_msg;
            }
        }
        didDispatchPortLastTime = false;
//根据之前有没有处理过source0消息，来判断如果也没有source1消息的时候是否让线程进入睡眠，这里处理observer源，如果睡眠则通知Observer进入睡眠。
    if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
    __CFRunLoopSetSleeping(rl);
    // do not do any user callouts after this point (after notifying of sleeping)
        // Must push the local-to-this-activation ports in on every loop
        // iteration, as this mode could be run re-entrantly and we don't
        // want these ports to get serviced.
        __CFPortSetInsert(dispatchPort, waitSet);

    __CFRunLoopModeUnlock(rlm);
    __CFRunLoopUnlock(rl);
    if (kCFUseCollectableAllocator) {
        objc_clear_stack(0);
        memset(msg_buffer, 0, sizeof(msg_buffer));
    }
    msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
    //如果poll为null，且waitset中无port有消息,线程进入休眠
    __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);

    __CFRunLoopLock(rl);
    __CFRunLoopModeLock(rlm);
    // Must remove the local-to-this-activation ports in on every loop
    // iteration, as this mode could be run re-entrantly and we don't
    // want these ports to get serviced. Also, we don't want them left
    // in there if this function returns.
    __CFPortSetRemove(dispatchPort, waitSet);

    __CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
        // user callouts now OK again
    __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
    //处理observer源，线程醒来
    if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
        handle_msg:;
        __CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
        if (MACH_PORT_NULL == livePort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_NOTHING();
            // handle nothing
//通过CFRunloopWake将当前线程唤醒
        } else if (livePort == rl->_wakeUpPort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_WAKEUP();
            // do nothing on Mac OS
        }
//处理timer源
        else if (rlm->_timerPort != MACH_PORT_NULL && livePort == rlm->_timerPort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
            if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())) {
                // Re-arm the next timer
                __CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
            }
        }
//通过GCD派发给主线程的任务
        else if (livePort == dispatchPort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_DISPATCH();
            __CFRunLoopModeUnlock(rlm);
            __CFRunLoopUnlock(rl);
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)6, NULL);
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)0, NULL);
            __CFRunLoopLock(rl);
            __CFRunLoopModeLock(rlm);
            sourceHandledThisLoop = true;
            didDispatchPortLastTime = true;
        } else {
//通过macPort给当前线程派发消息,处理source1
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_SOURCE();
            // Despite the name, this works for windows handles as well
            //过滤macPort消息，有一些消息不一定是runloop中注册的，这里只处理runloop中注册的消息，在rlm->_portToV1SourceMap通过macPort找有没有对应的runloopMode
            CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);
            if (rls) {
                mach_msg_header_t *reply = NULL;
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply) || sourceHandledThisLoop;
                if (NULL != reply) {
                    //当前线程处理完source1，给发消息的线程反馈消息, MACH_SEND_MSG表示给replay端口发送消息
                    (void)mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply->msgh_size, 0, MACH_PORT_NULL, 0, MACH_PORT_NULL);
                    CFAllocatorDeallocate(kCFAllocatorSystemDefault, reply);
                }
           }
        }
    if (msg && msg != (mach_msg_header_t *)msg_buffer) free(msg);

    __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
    if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
        retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
    } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
        //runloop超时时间到
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
    } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
            __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
        retVal = kCFRunLoopRunStopped;
    } else if (rlm->_stopped) {
        rlm->_stopped = false;
        retVal = kCFRunLoopRunStopped;
    } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
        retVal = kCFRunLoopRunFinished;
    }
    } while (0 == retVal);
    if (timeout_timer) {
        dispatch_source_cancel(timeout_timer);
        dispatch_release(timeout_timer);
    } else {
        free(timeout_context);
    }
    return retVal;
}

根据源码补充处理逻辑

补充：
第4步：非基于端口的源包括Block事件，Source0事件
第5步：主要处理dispatchPort的事件。即处理通过GCD派发到主线程的任务,这些任务优先级最高会被最先处理。
第6步：runloop睡眠是有条件的

//poll标志着有没有处理source0的消息，如果没有则为false，反之为true
//如果poll为false，且waitset中无port有消息,线程进入休眠
//__CFRunLoopServiceMachPort用于接受指定端口(一个也可以是多个)的消息,最后一个参数代表当端口无消息的时候是否休眠,0是立刻返回不休眠,TIMEOUT_INFINITY代表休眠
 __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);

第7步：定时器唤醒通过Mode里的timerPort。超时唤醒和显式唤醒，都是通过Runloop里的wakeUpPort。
每次Runloop处理完定时器回调后都会设置下一次的Timer触发时间，即通过mk_timer_arm系统调用，注册了一个系统时钟的回调：

 mk_timer_arm(rlm->_timerPort, __CFUInt64ToAbsoluteTime(nextSoftDeadline));

疑问：timer只是在Runloop唤醒后才处理，而kCFRunLoopBeforeTimers通知是在睡眠前处理？？？

第9步：处理Source1事件，先要根据Port对象查找出已注册的Source1。

CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);

Source与Port的关系是在添加Source的时候建立的(CFRunLoopAddSource)

__CFPort src_port = rls->_context.version1.getPort(rls->_context.version1.info);
if (CFPORT_NULL != src_port) {
//rlm->_portToV1SourceMap是port到source1的映射，为了在runloop主逻辑中过滤runloop自己的port消息。
CFDictionarySetValue(rlm->_portToV1SourceMap, (const void *)(uintptr_t)src_port, rls);
//rml->_portSet记录了所有当前mode中需要监听的port，作为调用监听消息函数的参数。
__CFPortSetInsert(src_port, rlm->_portSet);
}

参考文章

Runloop源码分析

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