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深入浅出 RunLoop(三):事件循环机制

RunLoop 系列文章

深入浅出 RunLoop(一):初识
深入浅出 RunLoop(二):数据结构
深入浅出 RunLoop(三):事件循环机制
深入浅出 RunLoop(四):RunLoop 与线程
深入浅出 RunLoop(五):RunLoop 与 NSTimer
iOS - 聊聊 autorelease 和 @autoreleasepool:RunLoop 与 @autoreleasepool

前言

前面我们介绍了RunLoop的基本概念以及相关数据结构,这篇我们来讲解一下RunLoop到底是怎么工作的。

主线程的 RunLoop 的启动过程

首先我们来看一下主线程的RunLoop的启动过程。
前面我们说过,我们的 iOS 程序能保持持续运行的原因就是在main()函数中调用了UIApplicationMain函数,这个函数内部会启动主线程的RunLoop
打断点,通过 LLDB 指令bt查看函数调用栈如下:

可以看到,在UIApplicationMain函数中调用了 Core Foundation 框架下的CFRunLoopRunSpecific函数。

CFRunLoopRunSpecific 函数实现:RunLoop 的入口

查看源码中该函数的实现,如下:

SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) {     /* DOES CALLOUT */
    CHECK_FOR_FORK();
    if (__CFRunLoopIsDeallocating(rl)) return kCFRunLoopRunFinished;
    __CFRunLoopLock(rl);
    // 根据 modeName 找到本次运行的 mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false);
    // 如果没找到 || mode 中没有注册任何事件,则就此停止,不进入循环
    if (NULL == currentMode || __CFRunLoopModeIsEmpty(rl, currentMode, rl->_currentMode)) {
	Boolean did = false;
	if (currentMode) __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
	__CFRunLoopUnlock(rl);
	return did ? kCFRunLoopRunHandledSource : kCFRunLoopRunFinished;
    }
    volatile _per_run_data *previousPerRun = __CFRunLoopPushPerRunData(rl);
    CFRunLoopModeRef previousMode = rl->_currentMode;
    rl->_currentMode = currentMode;
    int32_t result = kCFRunLoopRunFinished;

    // 通知 Observers:即将进入 RunLoop
	if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    // RunLoop 具体要做的事情
	result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
    // 通知 Observers:即将退出 RunLoop
	if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopExit ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);

        __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
        __CFRunLoopPopPerRunData(rl, previousPerRun);
	rl->_currentMode = previousMode;
    __CFRunLoopUnlock(rl);
    return result;
}
复制代码

删掉不重要的细节:

SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) {     /* DOES CALLOUT */

    // 通知 Observers:即将进入 RunLoop
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    // RunLoop 具体要做的事情
	result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
    // 通知 Observers:即将退出 RunLoop
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);

    return result;
}
复制代码

从函数调用栈,以及CFRunLoopRunSpecific函数的实现中可以得知,RunLoop事件循环的实现机制体现在__CFRunLoopRun函数中。

__CFRunLoopRun 函数实现:事件循环的实现机制

由于该函数实现较复杂,以下为删掉细节的精简版本,想探究具体的可以查看 Core Foundation 源码

/**
 *  __CFRunLoopRun
 *
 *  @param rl              运行的 RunLoop 对象
 *  @param rlm             运行的 mode
 *  @param seconds         loop 超时时间
 *  @param stopAfterHandle true: RunLoop 处理完事件就退出  false:一直运行直到超时或者被手动终止
 *  @param previousMode    上一次运行的 mode
 *
 *  @return 返回 4 种状态
 */
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) 
{
    int32_t retVal = 0;
    do {
        // 通知 Observers:即将处理 Timers
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        // 通知 Observers:即将处理 Sources
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
        // 处理 Blocks
    	__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        // 处理 Sources0
        if (__CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle)) {
            // 处理 Blocks
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
	    }
        // 判断有无 Source1
        if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
            // 如果有 Source1,就跳转到 handle_msg
            goto handle_msg;
        }
        // 通知 Observers:即将进入休眠
	    __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
    	__CFRunLoopSetSleeping(rl);
        // ⚠️休眠,等待消息来唤醒线程
        __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
    	__CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        // 通知 Observers:刚从休眠中唤醒
	    __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);

handle_msg:
        if (被 Timer 唤醒) {
            // 处理 Timer
            __CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())
        } else if (被 GCD 唤醒) {
            // 处理 GCD 
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
        } else {  // 被 Source1 唤醒   
            // 处理 Source1
            __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply) || sourceHandledThisLoop;  
        }

        // 处理 Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        /* 设置返回值 */
        // 进入 loop 时参数为处理完事件就返回
        if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {  
            retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
        // 超出传入参数标记的超时时间
        } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {  
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
        // 被外部调用者强制停止
        } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {  
            __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;
        // 自动停止
        } else if (rlm->_stopped) {  
            rlm->_stopped = false;
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;
        // mode 中没有任何的 Source0/Source1/Timer/Observer
        } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {  
            retVal = kCFRunLoopRunFinished;
        }
    
    } while (0 == retVal);

    return retVal;
}
复制代码

从该函数实现中可以得知RunLoop主要就做以下几件事情:

  • __CFRunLoopDoObservers:通知Observers接下来要做什么
  • __CFRunLoopDoBlocks:处理Blocks
  • __CFRunLoopDoSources0:处理Sources0
  • __CFRunLoopDoSources1:处理Sources1
  • __CFRunLoopDoTimers:处理Timers
  • 处理 GCD 相关:dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{ });
  • __CFRunLoopSetSleeping/__CFRunLoopUnsetSleeping:休眠等待/结束休眠
  • __CFRunLoopServiceMachPort -> mach-msg():转移当前线程的控制权

事件循环机制

__CFRunLoopServiceMachPort 函数实现:RunLoop 休眠的实现原理

__CFRunLoopRun函数中,会调用__CFRunLoopServiceMachPort函数,该函数中调用了mach_msg()函数来转移当前线程的控制权给内核态/用户态。

  • 没有消息需要处理时,休眠线程以避免资源占用。调用mach_msg()从用户态切换到内核态,等待消息;
  • 有消息需要处理时,立刻唤醒线程,调用mach_msg()回到用户态处理消息。

这就是RunLoop休眠的实现原理,也是RunLoop与简单的do...while循环区别:

  • RunLoop:休眠的时候,当前线程不会做任何事,CPU 不会再分配资源;
  • 简单的do...while循环:当前线程并没有休息,一直占用 CPU 资源。
static Boolean __CFRunLoopServiceMachPort(mach_port_name_t port, mach_msg_header_t **buffer, size_t buffer_size, mach_port_t *livePort, mach_msg_timeout_t timeout, voucher_mach_msg_state_t *voucherState, voucher_t *voucherCopy) {
    Boolean originalBuffer = true;
    kern_return_t ret = KERN_SUCCESS;
    for (;;) {		/* In that sleep of death what nightmares may come ... */
        mach_msg_header_t *msg = (mach_msg_header_t *)*buffer;
        msg->msgh_bits = 0;
        msg->msgh_local_port = port;
        msg->msgh_remote_port = MACH_PORT_NULL;
        msg->msgh_size = buffer_size;
        msg->msgh_id = 0;
        if (TIMEOUT_INFINITY == timeout) { CFRUNLOOP_SLEEP(); } else { CFRUNLOOP_POLL(); }

        // ⚠️⚠️⚠️
        ret = mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG|(voucherState ? MACH_RCV_VOUCHER : 0)|MACH_RCV_LARGE|((TIMEOUT_INFINITY != timeout) ? MACH_RCV_TIMEOUT : 0)|MACH_RCV_TRAILER_TYPE(MACH_MSG_TRAILER_FORMAT_0)|MACH_RCV_TRAILER_ELEMENTS(MACH_RCV_TRAILER_AV), 0, msg->msgh_size, port, timeout, MACH_PORT_NULL);

        // Take care of all voucher-related work right after mach_msg.
        // If we don't release the previous voucher we're going to leak it.
        voucher_mach_msg_revert(*voucherState);
        
        // Someone will be responsible for calling voucher_mach_msg_revert. This call makes the received voucher the current one.
        *voucherState = voucher_mach_msg_adopt(msg);
        
        if (voucherCopy) {
            if (*voucherState != VOUCHER_MACH_MSG_STATE_UNCHANGED) {
                // Caller requested a copy of the voucher at this point. By doing this right next to mach_msg we make sure that no voucher has been set in between the return of mach_msg and the use of the voucher copy.
                // CFMachPortBoost uses the voucher to drop importance explicitly. However, we want to make sure we only drop importance for a new voucher (not unchanged), so we only set the TSD when the voucher is not state_unchanged.
                *voucherCopy = voucher_copy();
            } else {
                *voucherCopy = NULL;
            }
        }

        CFRUNLOOP_WAKEUP(ret);
        if (MACH_MSG_SUCCESS == ret) {
            *livePort = msg ? msg->msgh_local_port : MACH_PORT_NULL;
            return true;
        }
        if (MACH_RCV_TIMED_OUT == ret) {
            if (!originalBuffer) free(msg);
            *buffer = NULL;
            *livePort = MACH_PORT_NULL;
            return false;
        }
        if (MACH_RCV_TOO_LARGE != ret) break;
        buffer_size = round_msg(msg->msgh_size + MAX_TRAILER_SIZE);
        if (originalBuffer) *buffer = NULL;
        originalBuffer = false;
        *buffer = realloc(*buffer, buffer_size);
    }
    HALT;
    return false;
}
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