iOS-RunLoop 充满灵性的死循环

xcvxvxc
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原文链接： www.jianshu.com

一. RunLoop简介

RunLoop字面意思是跑圈，在我们的项目中其实就是运行循环，而且是充满灵性的死循环，为什么说他充满灵性呢？因为他可以在我们需要的时候自己跑起来运行，在我们没有操作的时候就停下来休息。充分节省CPU资源，提高程序性能。

二. RunLoop基本作用：

  1. 保持程序持续运行，程序一启动就会开一个主线程，主线程一开起来就会跑一个主线程对应的RunLoop,RunLoop保证主线程不会被销毁，也就保证了程序的持续运行
  2. 处理App中的各种事件（比如：触摸事件，定时器事件，Selector事件等）
  3. 节省CPU资源，提高程序性能，程序运行起来时，当什么操作都没有做的时候，RunLoop就告诉CUP，现在没有事情做，我要去休息，这时CUP就会将其资源释放出来去做其他的事情，当有事情做的时候RunLoop就会立马起来去做事情
    我们先通过API内一张图片来简单看一下RunLoop内部运行原理

    RunLoop内部运行原理


    通过图片可以看出，RunLoop在跑圈过程中，当接收到Input sources 或者 Timer sources时就会交给对应的处理方去处理。当没有事件消息传入的时候，RunLoop就休息了。这里只是简单的理解一下这张图，接下来我们来了解RunLoop对象和其一些相关类，来更深入的理解RunLoop运行流程。

三. RunLoop在哪里开启

我们知道主线程一开起来，就会跑一个和主线程对应的RunLoop，那么RunLoop一定是在程序的入口main函数中开启。

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

进入UIApplicationMain 

UIKIT_EXTERN int UIApplicationMain(int argc, char *argv[], NSString * __nullable principalClassName, NSString * __nullable delegateClassName);

我们发现它返回的是一个int数，那么我们对main函数做一些修改

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"开始");
        int re = UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
        NSLog(@"结束");
        return re;
    }
}

运行程序，我们发现只会打印开始，并不会打印结束，这说明在UIApplicationMain函数中，开启了一个和主线程相关的RunLoop，导致UIApplicationMain不会返回，一直在运行中，也就保证了程序的持续运行。
我们来看到RunLoop的源码

// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {    /* DOES CALLOUT */
    int32_t result;
    do {
        result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
        CHECK_FOR_FORK();
    } while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}

我们发现RunLoop确实是do while通过判断result的值实现的。因此，我们可以把RunLoop看成一个死循环。如果没有RunLoop，UIApplicationMain函数执行完毕之后将直接返回，也就没有程序持续运行一说了

四. RunLoop对象

Fundation框架 （基于CFRunLoopRef的封装）
NSRunLoop对象

CoreFoundation
CFRunLoopRef对象

因为Fundation框架是基于CFRunLoopRef的封装，因此我们学习RunLoop还是要研究CFRunLoopRef 源码

1. 获得RunLoop对象

Foundation
[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的RunLoop对象

Core Foundation
CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的RunLoop对象

五. RunLoop和线程间的关系

  1. 每条线程都有唯一的一个与之对应的RunLoop对象
  2. 主线程的RunLoop已经自动创建好了，子线程的RunLoop需要主动创建
  3. RunLoop在第一次获取时创建，在线程结束时销毁

    1. 主线程相关联的RunLoop创建

    CFRunLoopRef源码
    // 创建字典
 CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
     // 创建主线程 根据传入的主线程创建主线程对应的RunLoop
 CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
     // 保存主线程 将主线程-key和RunLoop-Value保存到字典中
 CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);

    2. 创建与子线程相关联的RunLoop

    CFRunLoopRef源码
     // 从字典中获取子线程的runloop
 CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
 __CFUnlock(&loopsLock);
 if (!loop) {
     // 如果子线程的runloop不存在,那么就为该线程创建一个对应的runloop
 CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
     __CFLock(&loopsLock);
 loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
     // 把当前子线程和对应的runloop保存到字典中
 if (!loop) {
     CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
     loop = newLoop;
 }
     // don't release run loops inside the loopsLock, because CFRunLoopDeallocate may end up taking it
     __CFUnlock(&loopsLock);
 CFRelease(newLoop);
 }
    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 Dictionary 里。所以我们创建子线程RunLoop时，只需在子线程中获取当前线程的RunLoop对象即可[NSRunLoop currentRunLoop];如果不获取，那子线程就不会创建与之相关联的RunLoop，并且只能在一个线程的内部获取其 RunLoop
    [NSRunLoop currentRunLoop];方法调用时，会先看一下字典里有没有存子线程相对用的RunLoop，如果有则直接返回RunLoop，如果没有则会创建一个，并将与之对应的子线程存入字典中。
    RunLoop 的销毁发生在线程结束时。

六. RunLoop相关类

Core Foundation中关于RunLoop的5个类

CFRunLoopRef - 获得当前RunLoop和主RunLoop
CFRunLoopModeRef RunLoop - 运行模式，只能选择一种，在不同模式中做不同的操作
CFRunLoopSourceRef - 事件源，输入源
CFRunLoopTimerRef - 定时器时间
CFRunLoopObserverRef - 观察者

1. CFRunLoopModeRef

CFRunLoopModeRef代表RunLoop的运行模式
一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个Mode又包含若干个Source、Timer、Observer
每次RunLoop启动时，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RunLoop，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
如图所示：


CFRunLoopModeRef示意图


注意：一种Mode中可以有多个Source(事件源，输入源，基于端口事件源例键盘触摸等) Observer(观察者，观察当前RunLoop运行状态) 和Timer(定时器事件源)。但是必须至少有一个Source或者Timer，因为如果Mode为空，RunLoop运行到空模式不会进行空转，就会立刻退出。

系统默认注册了5个Mode:

RunLoop 有五种运行模式，其中常见的有1.2两种

1. kCFRunLoopDefaultMode：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行
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: 这是一个占位用的Mode，作为标记kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode用，并不是一种真正的Mode

Mode间的切换

我们平时在开发中一定遇到过，当我们使用NSTimer每一段时间执行一些事情时滑动UIScrollView，NSTimer就会暂停，当我们停止滑动以后，NSTimer又会重新恢复的情况，我们通过一段代码来看一下
代码中的注释也很重要，展示了我们探索的过程

-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    // [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(show) userInfo:nil repeats:YES];
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(show) userInfo:nil repeats:YES];
    // 加入到RunLoop中才可以运行
    // 1. 把定时器添加到RunLoop中，并且选择默认运行模式NSDefaultRunLoopMode = kCFRunLoopDefaultMode
    // [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    // 当textFiled滑动的时候，timer失效，停止滑动时，timer恢复
    // 原因：当textFiled滑动的时候，RunLoop的Mode会自动切换成UITrackingRunLoopMode模式，因此timer失效，当停止滑动，RunLoop又会切换回NSDefaultRunLoopMode模式，因此timer又会重新启动了

    // 2. 当我们将timer添加到UITrackingRunLoopMode模式中，此时只有我们在滑动textField时timer才会运行
    // [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

    // 3. 那个如何让timer在两个模式下都可以运行呢？
    // 3.1 在两个模式下都添加timer 是可以的，但是timer添加了两次，并不是同一个timer
    // 3.2 使用站位的运行模式 NSRunLoopCommonModes标记，凡是被打上NSRunLoopCommonModes标记的都可以运行，下面两种模式被打上标签
    //0 : {contents = "UITrackingRunLoopMode"}
    //2 : {contents = "kCFRunLoopDefaultMode"}
    // 因此也就是说如果我们使用NSRunLoopCommonModes，timer可以在UITrackingRunLoopMode，kCFRunLoopDefaultMode两种模式下运行
    [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
    NSLog(@"%@",[NSRunLoop mainRunLoop]);
}
-(void)show
{
    NSLog(@"-------");
}

由上述代码可以看出，NSTimer不管用是因为Mode的切换，因为如果我们在主线程使用定时器，此时RunLoop的Mode为kCFRunLoopDefaultMode，即定时器属于kCFRunLoopDefaultMode，那么此时我们滑动ScrollView时，RunLoop的Mode会切换到UITrackingRunLoopMode，因此在主线程的定时器就不在管用了，调用的方法也就不再执行了，当我们停止滑动时，RunLoop的Mode切换回kCFRunLoopDefaultMode，所有NSTimer就又管用了。
同样道理的还有ImageView的显示，我们直接来看代码，不再赘述了

-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    NSLog(@"%s",__func__);
    // performSelector默认是在default模式下运行，因此在滑动ScrollView时，图片不会加载
    // [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"abc"] afterDelay:2.0 ];
    // inModes: 传入Mode数组
    [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"abc"] afterDelay:2.0 inModes:@[NSDefaultRunLoopMode,UITrackingRunLoopMode]];

使用GCD也可是创建计时器，而且更为精确我们来看一下代码

-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    //创建队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    //1.创建一个GCD定时器
    /*
     第一个参数:表明创建的是一个定时器
     第四个参数:队列
     */
    dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);
    // 需要对timer进行强引用，保证其不会被释放掉，才会按时调用block块
    // 局部变量，让指针强引用
    self.timer = timer;
    //2.设置定时器的开始时间,间隔时间,精准度
    /*
     第1个参数:要给哪个定时器设置
     第2个参数:开始时间
     第3个参数:间隔时间
     第4个参数:精准度 一般为0 在允许范围内增加误差可提高程序的性能
     GCD的单位是纳秒 所以要*NSEC_PER_SEC
     */
    dispatch_source_set_timer(timer, DISPATCH_TIME_NOW, 2.0 * NSEC_PER_SEC, 0 * NSEC_PER_SEC);

    //3.设置定时器要执行的事情
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        NSLog(@"---%@--",[NSThread currentThread]);
    });
    // 启动
    dispatch_resume(timer);
}

2. CFRunLoopSourceRef事件源（输入源）

Source分为两种

Source0：非基于Port的 用于用户主动触发的事件（点击button 或点击屏幕）
Source1：基于Port的 通过内核和其他线程相互发送消息（与内核相关）
注意：Source1在处理的时候会分发一些操作给Source0去处理

点击button查看调用栈，可以看出runloop中输入的是__CFRunLoopDoSource0事件源


Source0的调用

3. CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef是观察者，能够监听RunLoop的状态改变
我们直接来看代码，给RunLoop添加监听者，监听其运行状态

-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
     //创建监听者
     /*
     第一个参数 CFAllocatorRef allocator：分配存储空间 CFAllocatorGetDefault()默认分配
     第二个参数 CFOptionFlags activities：要监听的状态 kCFRunLoopAllActivities 监听所有状态
     第三个参数 Boolean repeats：YES:持续监听 NO:不持续
     第四个参数 CFIndex order：优先级，一般填0即可
     第五个参数 ：回调 两个参数observer:监听者 activity:监听的事件
     */
     /*
     所有事件
     typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
     kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),   //   即将进入RunLoop
     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RunLoop
     kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
     };
     */
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        switch (activity) {
            case kCFRunLoopEntry:
                NSLog(@"RunLoop进入");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeTimers:
                NSLog(@"RunLoop要处理Timers了");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeSources:
                NSLog(@"RunLoop要处理Sources了");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeWaiting:
                NSLog(@"RunLoop要休息了");
                break;
            case kCFRunLoopAfterWaiting:
                NSLog(@"RunLoop醒来了");
                break;
            case kCFRunLoopExit:
                NSLog(@"RunLoop退出了");
                break;

            default:
                break;
        }
    });

    // 给RunLoop添加监听者
    /*
     第一个参数 CFRunLoopRef rl：要监听哪个RunLoop,这里监听的是主线程的RunLoop
     第二个参数 CFRunLoopObserverRef observer 监听者
     第三个参数 CFStringRef mode 要监听RunLoop在哪种运行模式下的状态
     */
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
     /*
     CF的内存管理（Core Foundation）
     凡是带有Create、Copy、Retain等字眼的函数，创建出来的对象，都需要在最后做一次release
     GCD本来在iOS6.0之前也是需要我们释放的，6.0之后GCD已经纳入到了ARC中，所以我们不需要管了
     */
    CFRelease(observer);
}

我们来看一下输出


监听者监听RunLoop运行状态

七. RunLoop处理逻辑

这时我们再来分析RunLoop的处理逻辑，就会简单明了很多


官方文档RunLoop处理逻辑


下面这张是网上找的比较形象的流程图，我们就下面这张图来分析一下RunLoop的运行流程


网友总结RunLoop处理逻辑

  1. 通知观察者 run loop 已经启动
  2. 通知观察者将要开始处理Timer事件
  3. 通知观察者将要处理非基于端口的Source0
  4. 处理Souecr0
  5. 如果基于端口的源Source1准备好并处于等待状态，立即启动：并进入步骤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
    （1）Source0事件源
    （2）Timer定时器启动
    （3）外部手动唤醒
  8. 通知观察者线程将被唤醒
  9. 处理未处理的事件，跳回2
    Source1在处理的时候回分发一些操作给Source0去处理，Source0中可能存在一些Timer出现，所以会回到第二步重新处理Timer和Source0 ,处理完后 到第五步，直到没有Source1，没有事情可做，进入休眠状态，当外部有事件就会立即唤醒RunLoop
  10. 通知观察者run loop 结束

八 . RunLoop退出

  1. 主线程销毁RunLoop退出
  2. Mode中有一些Timer 、Source、 Observer，这些保证Mode不为空时保证RunLoop没有空转并且是在运行的，当Mode中为空的时候，RunLoop会立刻退出
  3. 我们在启动RunLoop的时候可以设置什么时候停止
    [NSRunLoop currentRunLoop]runUntilDate:<#(nonnull NSDate *)#>
[NSRunLoop currentRunLoop]runMode:<#(nonnull NSString *)#> beforeDate:<#(nonnull NSDate *)#>

九. RunLoop应用

1. 常驻线程

常驻线程的作用：我们知道，当子线程中的任务执行完毕之后就被销毁了，那么如果我们需要开启一个子线程，在程序运行过程中永远都存在，那么我们就会面临一个问题，如何让子线程永远活着，这时就要用到常驻线程：给子线程开启一个RunLoop
注意：子线程执行完操作之后就会立即释放，即使我们使用强引用引用子线程使子线程不被释放，也不能给子线程再次添加操作，或者再次开启。
子线程开启RunLoop的代码，先点击屏幕开启子线程并开启子线程RunLoop，然后点击button。

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()
@property(nonatomic,strong)NSThread *thread;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
}
-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
   // 创建子线程并开启
    NSThread *thread = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(show) object:nil];
    self.thread = thread;
    [thread start];
}
-(void)show
{
    // 注意：打印方法一定要在RunLoop创建开始运行之前，如果在RunLoop跑起来之后打印，RunLoop先运行起来，已经在跑圈了就出不来了，进入死循环也就无法执行后面的操作了。
    // 但是此时点击Button还是有操作的，因为Button是在RunLoop跑起来之后加入到子线程的，当Button加入到子线程RunLoop就会跑起来
    NSLog(@"%s",__func__);
    // 1.创建子线程相关的RunLoop，在子线程中创建即可，并且RunLoop中要至少有一个Timer 或 一个Source 保证RunLoop不会因为空转而退出，因此在创建的时候直接加入
    // 添加Source [NSMachPort port] 添加一个端口
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    // 添加一个Timer
    NSTimer *timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(test) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];    
    //创建监听者
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        switch (activity) {
            case kCFRunLoopEntry:
                NSLog(@"RunLoop进入");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeTimers:
                NSLog(@"RunLoop要处理Timers了");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeSources:
                NSLog(@"RunLoop要处理Sources了");
                break;
            case kCFRunLoopBeforeWaiting:
                NSLog(@"RunLoop要休息了");
                break;
            case kCFRunLoopAfterWaiting:
                NSLog(@"RunLoop醒来了");
                break;
            case kCFRunLoopExit:
                NSLog(@"RunLoop退出了");
                break;

            default:
                break;
        }
    });
    // 给RunLoop添加监听者
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
    // 2.子线程需要开启RunLoop
    [[NSRunLoop currentRunLoop]run];
    CFRelease(observer);
}
- (IBAction)btnClick:(id)sender {
    [self performSelector:@selector(test) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}
-(void)test
{
    NSLog(@"%@",[NSThread currentThread]);
}
@end

注意：创建子线程相关的RunLoop，在子线程中创建即可，并且RunLoop中要至少有一个Timer 或 一个Source 保证RunLoop不会因为空转而退出，因此在创建的时候直接加入，如果没有加入Timer或者Source，或者只加入一个监听者，运行程序会崩溃

2. 自动释放池

Timer和Source也是一些变量，需要占用一部分存储空间，所以要释放掉，如果不释放掉，就会一直积累，占用的内存也就越来越大，这显然不是我们想要的。
那么什么时候释放，怎么释放呢？
RunLoop内部有一个自动释放池，当RunLoop开启时，就会自动创建一个自动释放池，当RunLoop在休息之前会释放掉自动释放池的东西，然后重新创建一个新的空的自动释放池，当RunLoop被唤醒重新开始跑圈时，Timer,Source等新的事件就会放到新的自动释放池中，当RunLoop退出的时候也会被释放。

NSTimer、ImageView显示、PerformSelector等在上面已经有过例子，这里不再赘述。

最后检验一下自己

  1. 你知道RunLoop吗 ?
  2. RunLoop的作用？
  3. RunLoop内部是怎么实现的？
  4. 自动释放池什么时候释放？
  5. 在开发中如何使用RunLoop？什么应用场景？

文献资料
苹果官方文档
CFRunLoopRef源码
✨本文借鉴了很多前辈的文章，如果有不对的地方请指正，欢迎大家一起交流学习 xx_cc 。

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