你好RunLooooooop

BigYiZa
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本文是对ibireme写的深入理解RunLoop文章的cv（惭愧），内容大致一样，有少部分自己补充的知识。

对于RunLoop的学习我是按照以下文章的顺序进行阅读的：

  1. 《RunLoop入门 看我就够了》
  2. 《RunLoop已入门？不来应用一下？》
  3. 《iOS-RunLoop充满灵性的死循环》
  4. 《深入理解RunLoop》
  5. 《iOS常见知识点二：RunLoop》
  6. 《iOS刨根问底-深入理解runloop》

以下为正文：

什么是RunLoop？

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);
}

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，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。

所以，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。

RunLoop与线程的关系

除了主线程有胎带的RunLoop对象，子线程时并不会主动生成RunLoop对象的,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）。

即使你获取(创建)了新的RunLoop对象，那你以为他会一直存在么？答案肯定是不会的，此时的RunLoop没有事件源，马上就会被系统回收掉，如果你希望这个RunLoop对象一直存在，你可以通过下面的方法（方法有很多种）让它活着：

NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[runLoop run];

RunLoop的构成

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

他们的关系如下:

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。（代码演示）

  1. CFRunLoopSourceRef 是事件产生的地方。Source有两个版本：Source0 和 Source1。
  • Source0 处理App内部事件，App自己负责管理和触发，如UIEvent、CFSocket；
  • 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。
  1. 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。
  2. 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收到这个变化。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
    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。

+代码演示

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的结构大致如下：

 
struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set
    ...
};

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef _sources0;    // Set
    CFMutableSetRef _sources1;    // Set
    CFMutableArrayRef _observers; // Array
    CFMutableArrayRef _timers;    // Array
    ...
};

对于开发者而言经常用到的Mode还有一个kCFRunLoopCommonModes（NSRunLoopCommonModes）,其实这个并不是某种具体的Mode，而是一种模式组合，在iOS系统中默认包含了 NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode （注意：并不是说Runloop会运行在kCFRunLoopCommonModes这种模式下，而是相当于分别注册了 NSDefaultRunLoopMode和 UITrackingRunLoopMode。当然你也可以通过调用CFRunLoopAddCommonMode()方法将自定义Mode放到 kCFRunLoopCommonModes组合）。

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。

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。

苹果提供了一个操作 Common 标记的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用这个字符串来操作 Common Items。

RunLoop是如何Run的

//设定过期时间  
SetupThisRunLoopRunTimeOutTimer();  //by GCD timer  
do{  
    //通知Observer要跑timer跟source  
    __CFRunLoopDoObservers(kCFRunLoopBeforeTimers);  
    __CFRunLoopDoObservers(kCFRunLoopBeforeSources);  
       
    // 执行被加入的block
    __CFRunLoopDoBlocks();  
    //运行到此刻，去检测当前加到消息队列source0的消息，此方法遍历source0去执行  
    __CFRunLoopDoSource0();  
       
    //询问GCD有没有分到主线程的东西需要调用  
    CheckIfExistMessageInMainDispatchQueue();   //GCD  
       
    //通知Observer要进入睡眠  
    __CFRunLoopDoObservers(kCFRunLoopBeforeWaiting);  
    //  mach_msg_trap  
    //  Zzz... 
     
    //此刻获取到是哪个端口把我叫醒
    //  Received mach_msg,  wake up!  
    var wakeUpPort = SleepAndWaitForWakingUpPorts(); 

    //通知Observer我要醒了~  
    __CFRunLoopDoObservers(kCFRunLoopAfterWaiting);  
    //Handler msgs  
    if(wakeUpPort == timerPort){  
        //如果是timer唤醒就去执行timer  
        __CFRunLoopDoTimer();  
    }else if(wakeUpPort == mainDispatchQueuePort){  
        //GCD需要我，就去调GCD的事件  
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE();  
    }else{  
        //比如说网络来数据了就会用这个端口唤醒，然后做数据处理  
        __CFRunloopDoSource1();  
    }  
    __CFRunLoopDoBlocks();  
}while (!stop && !timeOut);//如果没被外部干掉或者时间没到，继续循环

苹果用 RunLoop 实现的功能

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。

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，但这些事件和Source1无关。

手势识别

当 _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。

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

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

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)。

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