iOS底层-Runloop原理详解

无双3
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不知道大家有没有这个疑问，创建一个空工程运行起来，即使里面没有其它业务代码，App也不会退出，这是为什么？其实是因为Runloop的关系。那么Runloop到底是什么，又是怎么工作的呢？接下来我们将揭开它神秘的面纱。

案例分析

无处不在的Runloop

  • 在Runloop的 官方文档 中，我们可以看到Runloop是一个死循环模型，线程在执行完任务后会进行休眠，有新的任务需要执行时就会被唤醒。如下图所示：

    截屏2021-11-18 17.48.22.png
    可以这样理解这个图，做一些相应的操作后，Runloop会转变成相应的事件去处理。

  • 代码分析：

    - (void)sourceDemo{
    // 1. __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"天王盖地虎");
    }];
  
    // 2. __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"hello word");
    });
  
    // 3. __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__
    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"123");
    };
  
    block();
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    // 4. __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__
    NSLog(@"来了,老弟!!!");
}

    下面拿第一种(timer)案例来打印分析：

    截屏2021-11-19 10.47.25.png

    从打印堆栈可以得出以下结论：

      1. timer事件，在runloop对应的是__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__类型
      1. Foundation中的Runloop，在底层实际对应的是CoreFoundation中的CFRunloop

  • 一共有6种类型的runloop事件：

      1. block应用：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__
      1. timer应用：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__
      1. 响应source0：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__
      1. 响应source1：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__
      1. GCD主队列：__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__
      1. 观察源(observer)：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__

与其他循环的区别

  • 一般循环的cpu：

    int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        while (1) {
            NSLog(@"hello");
        }
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));;
    }
}

    运行后发现占用30%左右的cpu

    截屏2021-11-19 10.00.09.png

  • Runloop所占cpu：

    截屏2021-11-19 10.30.47.png 运行一个空的工程，发现cpu始终为0，但工程一直在运行

Runloop总结：
1. 保证程序的持续运行
2. 处理APP中的各种事件（触摸、定时器、performSelector）
3. 节省cpu资源、提供程序的性能：该做事就做事，该休息就息

Runloop到底是不是死循环，是怎样的一个循环呢？接下来我们走进源码的世界

源码解读

  • 在上面的堆栈分析，我们可以得出如下的关系：

    截屏2021-11-19 13.37.25.png

    • Runloop在底层是CFRunloop，解析来我们将对CFRunloop进行分析

  • 在Source Browser中下载 CoreFoundation源码 ，然后对CFRunloop.c对`文件进行阅读

创建

  • 在源码中有一个CFRunLoopRun方法：

    void CFRunLoopRun(void) {    /* DOES CALLOUT */
    int32_t result;
    do {
        result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
        CHECK_FOR_FORK();
    } while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}
    • 主要是通过判断result的结果进行do-while循环，说明这里是runloop创建的过程

  • 先来看看CFRunLoopGetCurrent，它是获得CFRunLoopRef的函数：

    CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
  
    CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
    if (rl) return rl;
  
    return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}
    • 这里先根据类型从TSD获取rl，如果存在则返回，如果不存在则根据当前线程从_CFRunLoopGet0函数获取

  • _CFRunLoopGet0：

    截屏2021-11-19 15.06.05.png

    • 获取CFRunLoopRef的过程比较简单：
        1. 先判断当前线程，如果不存在则设置为主线程
        1. 判断CFMutableDictionaryRef是否存在：
        • 不存在：创建CFMutableDictionaryRef，然后在主线程创建CFRunLoopRef，然后以主线程为key，mainloop为value存入字典
        • 存在：根据当前线程获取CFRunLoopRef，如果没有获取到，说明当前线程不是主线程，则根据当前线程创建，并以当前线程为key，newLoop为value存入字典，
      1. 得到loop后调用_CFSetTSD进行存储

  • 获取NSRunLoopRef的流程如下：

    截屏2021-11-19 16.30.09.png

  • 从上面分析得知，无论是不是在主线程都需要创建NSRunloopRef，那么这个runloop是个怎样的数据结构，接下来我们继续分析。

数据结构

  • 进行__CFRunLoopCreate函数，可以看到创建和赋值过程：

    截屏2021-11-19 16.38.17.png

    • loop的成员中有model，有item等，他们是什么类型不知道，点进去查看：

      截屏2021-11-19 17.41.35.png

    • 这个我们知道CFRunloop是个结构体，_commonModes，_commonModeItems和_modes是集合类型，再来看看_currentMode：

    截屏2021-11-19 17.58.40.png

    • 这里我们可以知道CFRunLoopModeRef是个CFRunLoopMode结构体，并且看到了比较熟悉的字眼：sources0，sources1，obervers，timers，他们是集合或者是数组类型，也就是说Runloop有很多个CFRunLoopMode，每个model对应多个事件，如下图所示：

      截屏2021-11-19 18.26.30.png

  • 现在我们知道items里面有很多的(source0，source1，timer，observer)，他们是什么不知道，又是怎样依赖model在runloop里执行？接下来在runloop的底层进行探索分析

底层原理

  • 我们通常在使用timer时，通常会加入runloop，我们先从加入runloop开始入手分析，在CFRunLoop.h可以看到有add的几个类型：

    截屏2021-11-21 22.43.16.png

    • add的mode有以下几种类型：
      • commonMode类型：CFRunLoopAddCommonMode
      • block类型：CFRunLoopPerformBlock
      • Source类型：CFRunLoopAddSource
      • Observer类型：CFRunLoopAddObserver
      • Timer类型：CFRunLoopAddTimer

1. 添加事件

  • CFRunLoopPerformBlock代码如下：

    截屏2021-11-21 23.18.43.png

    • runloop添加事件时主要做了以下几个步骤：
        1. 确保model存在
        1. 创建runloop中_block_item单向链表
        1. 对new_item相关参数进行赋值：
        • 如果尾结点不存在，说明还没有添加mode，则将头结点设置为new_item；
        • 如果尾结点存在，则设置尾结点next为new_item
        • 最后再设置尾结点为new_item

  • CFRunLoopAddCommonMode类型：

    截屏2021-11-21 23.36.47.png

    • 此处函数的核心是__CFRunLoopAddItemsToCommonMode，它的代码如下：

      截屏2021-11-21 23.50.32.png
      原来commonMode类型对应的是source、observer和timer三种事件，下面将对他们进行一一分析

  • CFRunLoopAddTimer类型：

    截屏2021-11-22 10.39.07.png

    截屏2021-11-22 11.08.15.png

    • 添加timer类型的mode比较简单，主要有以下几个步骤：
        1. 获取相应modeName的mode
        1. 确保mode中的timers数组存在
        1. 如果timer的rlModes数组中没有新mode的name，则往rlModes中添加name
        1. 将timer存入对应model的timers数组

  • CFRunLoopAddSource类型：

    截屏2021-11-22 11.44.17.png

    • source类型添加mode与timer类型类似：
        1. 根据modeName获取相应的mode
        1. 将source赋值给mode中的sources0或者sources1
        1. 将runloop添加到source中的runLoops中

  • CFRunLoopAddObserver类型：

    截屏2021-11-22 13.57.52.png

    • 添加Observer类型的mode也和上面的类似：
        1. 根据modeName获取相应的mode
        1. 在mode的observers数组从后往前遍历：
        • 如果遍历的observer->order小于等于当前observer->order，则将observer插入到下当前index+1处
        • 如果遍历完，observer->order都小于数组里的observer->order，则将新的observer插入到数组的第一个位置

从分析几个添加mode的过程，可以感知commonMode中的三个mode过程比较类似，block类型mode有所不同，它是以单向链表的形式添加的。

2. 进入循环

  • 添加完mode后将进行runloopRun，也就是调用函数CFRunLoopRunSpecific，源码如下：

    截屏2021-11-22 14.31.21.png

      1. 函数里先根据modeName获取本次运行的mode，如果没有找到则不进入循环
      1. 将runloop的currentMode设置成本次运行的mode
      1. 如果mode类型为entry，则observer通知Runloop即将进入loop
      1. 调用__CFRunLoopRun函数进行run
      1. 如果model类型为exit，则observer通知runloop即将退出

  • __CFRunLoopRun函数主要代码如下：

    iShot2021-11-22 16.57.18.png
    主要的是根据状态判断循环条件，然后在循环中处理睡眠及相应事件，核心流程如下：

    截屏2021-11-22 17.46.47.png

3. 事件处理

    1. observers事件：

    截屏2021-11-23 09.15.15.png

    • 处理observers事件，主要有以下几个步骤：
        1. 获取observers数组大小
        1. 根据大小获取或者创建一个CFRunLoopObserverRef类型的collectedObservers
        1. 遍历mode->observers并对collectedObservers进行相关赋值
        1. 遍历新的集合并调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__执行事件处理 它的实现如下：
        static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(CFRunLoopObserverCallBack func, CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
    if (func) {
        func(observer, activity, info);
    }
    asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization
}
    1. blocks事件：

    截屏2021-11-23 09.52.37.png

    • block的mode在runloop中是以链表的形式存在，它的执行过程如下：
        1. 获取链表的头结点和尾结点
        1. 从头结点往尾结点方向遍历
        1. 如果满足条件，则执行__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__函数，进而执行block回调 它的核心函数如下：
        static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(void (^block)(void)) {
    if (block) {
        block();
    }
    asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization
}
    1. timer事件：

    截屏2021-11-23 10.12.02.png
    执行timer事件先遍历mode的timers数组，将满足条件的timer放入新数组，然后遍历执行__CFRunLoopDoTimer函数：

    截屏2021-11-23 10.48.02.png
    __CFRunLoopDoTimer函数在满足条件下，执行__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__函数，进而执行回调

    1. mainQueue事件

    截屏2021-11-23 10.58.27.png
    mainQueue事件是在runloop被唤醒后，然后调用__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__函数，进而调用_dispatch_main_queue_callback_4CF函数处理msg

    1. source0事件：

    截屏2021-11-23 11.03.02.png
    source0事件的处理需要判断类型：

    • 如果是ID类型，则在相应的判断后执行__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数
    • 如果是数组类型，则需要遍历数组，得到的observer在满足条件下执行__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数
    1. source1事件： source1的类型要简单的多：

    截屏2021-11-23 11.06.54.png
    当observer存在，则调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__函数进而执行回调。

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