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基本認(rèn)識(shí)

顧名思義，在程序運(yùn)行的過(guò)程中循環(huán)做一些事情。

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在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，我們接觸到的 NSTimer 相關(guān)、GCD Async Main Queue、事件響應(yīng)、手勢(shì)識(shí)別、界面刷新、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和自動(dòng)釋放池都是基于 RunLoop 實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目的主程序入口 main 函數(shù)會(huì)返回一個(gè) UIApplicationMain，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)開(kāi)啟一個(gè) RunLoop 對(duì)象，這個(gè)對(duì)象就會(huì)循環(huán)處理一些事情，當(dāng)我們點(diǎn)擊一個(gè)可以交互的 UI 控件的時(shí)候，程序會(huì)做出響應(yīng)，這都是 RunLoop 的功勞。

所以說(shuō) RunLoop 可以保持程序的正常運(yùn)行，能響應(yīng)各種事件，并節(jié)省 CPU 資源，提高程序性能：沒(méi)有事件的時(shí)候待命，有事件的時(shí)候處理事情。

RunLoop 對(duì)象

iOS 中有 2 套 API 訪問(wèn)和使用 RunLoop，分別是 Foundation 中的 NSRunLoop 和 Core Foudation 中的 CFRunLoopRef，前者是后者的 Objective-C 封裝。并且 CFRunLoopRef 是開(kāi)源的，開(kāi)源地址在這。下面就是獲取當(dāng)前的 RunLoop 對(duì)象：

[NSRunLoop currentRunLoop];
CFRunLoopGetCurrent();

RunLoop 和線程

每條線程都有一個(gè)唯一的一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的 RunLoop 對(duì)象，并且 RunLoop 保存在一個(gè)全局的 Dictionary 中，線程為 key，RunLoop 為 value。
剛創(chuàng)建的線程是沒(méi)有 RunLoop 對(duì)象的，RunLoop 會(huì)在第一次獲取它的時(shí)候創(chuàng)建。RunLoop 會(huì)隨著線程的結(jié)束銷毀，主線程比較特殊，會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建并獲取 RunLoop。

在源碼中，CFRunLoopGetCurrent 的實(shí)現(xiàn)為：

CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
    if (rl) return rl;
    return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}

我們看到最終調(diào)用的是 _CFRunLoopGet0 方法，該方法中有：

CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t)); // 先從字典中查找是否有對(duì)應(yīng)的 RunLoop 
__CFUnlock(&loopsLock);
if (!loop) {
    CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t); // 沒(méi)查找到，創(chuàng)建
        __CFLock(&loopsLock);
    loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
}
if (!loop) {
    CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop); // 將新創(chuàng)建的 RunLoop 保存到全局的字典當(dāng)中
    loop = newLoop;
}

這驗(yàn)證了 RunLoop 會(huì)存在一個(gè)全局的字典當(dāng)中這一說(shuō)法。

pthreadPointer(t) 為線程。

RunLoop 相關(guān)的類

在 Core Foundation 中和 RunLoop 相關(guān)的有 5 個(gè)類：

• CFRunLoopRef
• CFRunLoopModeRef
• CFRunLoopSourceRef
• CFRunLoopTimerRef
• CFRunLoopOberverRef

CFRunLoop 的底層結(jié)構(gòu)為：

typedef struct __CFRunLoop* CFRunLoopRef;
struct __CFRunLoop {
    pthread_t _pthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
}

從結(jié)構(gòu)體可以看出，一個(gè) RunLoop 可以裝著多個(gè) mode，但實(shí)際只有一個(gè) mode 是 currentMode。

__CFRunLoopMode 的結(jié)構(gòu)為：

struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;  /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    char _padding[3];
    CFMutableSetRef _sources0; // 對(duì)應(yīng) CFRunLoopSourceRef 對(duì)象
    CFMutableSetRef _sources1; // 對(duì)應(yīng) CFRunLoopSourceRef 對(duì)象
    CFMutableArrayRef _observers; // 對(duì)應(yīng) CFRunLoopOberverRef 對(duì)象 
    CFMutableArrayRef _timers; // 對(duì)應(yīng) CFRunLoopTimerRef 對(duì)象
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
    ...
};

所以，總體關(guān)系如下：

image

RunLoop 啟東時(shí)只能選一個(gè) Mode 作為 Current Mode，若要切換 Mode，只能退出當(dāng)前 RunLoop，重新選擇一個(gè) Mode 再進(jìn)入。
這樣做的好處是：不同組的 source0、source1、timer、observer 相互隔離，互不影響。

如果 Mode 中沒(méi)有任何 source0、source1、timer、observer 則 RunLoop 會(huì)立即退出。

常見(jiàn)的 Mode

• kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode)，主線程是在這個(gè) Mode 下執(zhí)行的。

• UITrackingRunLoopMode，界面跟蹤 Mode，用于 ScrollView 追蹤觸摸滑動(dòng)，保證滑動(dòng)時(shí)不被其他 Mode 影響。

其他的 Mode 開(kāi)發(fā)中不常用。

并且需要注意的是，主線程切換 Mode 并不會(huì)導(dǎo)致程序退出，切換 Mode 的操作還是在事件循環(huán)中進(jìn)行的，并不會(huì)打破事件循環(huán)。

那么創(chuàng)建一個(gè) RunLoop 并選擇一個(gè) Mode 后，最終處理的就是 Mode 下的 source0、source1、timer、observer。

source0

一般指觸摸事件處理，我們新建一個(gè)空白程序，在初始界面添加觸摸方法，并在注釋位置加斷點(diǎn)：

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    
    NSLog(@"%s", __func__); // 加斷點(diǎn)
    
}

進(jìn)入調(diào)試環(huán)境后借助 bt 命令打印函數(shù)調(diào)用棧：

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在上圖 #9 的位置看到了 source0 的影子。

performSelector: onThread: 系列方法也是 source0 的一個(gè)范疇。

source1

• 基于 Port 的線程通信；
• 系統(tǒng)事件的捕捉；

如點(diǎn)擊事件，一開(kāi)始是由 source1 捕捉，然后分發(fā)給 source0 處理。

Timers

就是我們熟知的 NSTimer，另，performSelector: withObject: afterDelay: 也屬于 Timer 范疇。

obervers

• 用于監(jiān)聽(tīng) RunLoop 的狀態(tài)；
• UI 刷新；
• Autorelease pool；

如對(duì) UI 控件進(jìn)行顏色設(shè)置的時(shí)候，并不會(huì)立即生效，監(jiān)聽(tīng)器會(huì)在 RunLoop 休眠之前進(jìn)行 UI 刷新。自動(dòng)釋放池同理。

有時(shí)候，我們也會(huì)手動(dòng)添加 observer，RunLoop 有以下幾種狀態(tài)：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即將進(jìn)入 RunLoop
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), // 剛從休眠狀態(tài)喚醒
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7), // 即將退出 RunLoop
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

我們寫個(gè)例子來(lái)監(jiān)聽(tīng)這些狀態(tài)：

// 創(chuàng)建 observer
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, observeRunLoopActicities, NULL);
// 添加到 RunLoop 中
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 釋放 observe
CFRelease(observer);

observeRunLoopActicities 為 C 語(yǔ)言函數(shù)：

void observeRunLoopActicities(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info)
{
    switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
            NSLog(@"kCFRunLoopEntry");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeTimers:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeTimers");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeSources:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeSources");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeWaiting");
            break;
        case kCFRunLoopAfterWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopAfterWaiting");
            break;
        case kCFRunLoopExit:
            NSLog(@"kCFRunLoopExit");
            break;
        default:
            break;
    }
}

觸摸了一下屏幕發(fā)現(xiàn)打印：

image.png

在觸摸函數(shù)調(diào)用之前，RunLoop 的狀態(tài)為 kCFRunLoopBeforeSources 即即將處理 source。
我們將觸摸函數(shù)改為：

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:3.0 repeats:NO block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"This is a timer");
    }];
    
}

增加了一個(gè)定時(shí)器，運(yùn)行并觸摸屏幕打印結(jié)果為：

image

在處理定時(shí)器之前，RunLoop 的狀態(tài)為 kCFRunLoopAfterWaiting 即喚醒狀態(tài)。

RunLoop 的運(yùn)行邏輯

• 首先，通知 Observers 進(jìn)入 Loop；

• 進(jìn)入 Loop 后，再次通知 Observers，即將處理 Timers；

• 通知 Observers 即將處理 Sources；

  • 處理 blocks；
  • 處理 Source0，并且可能會(huì)再次處理 blocks；

• 如果沒(méi)有 Source1，通知 Observers 進(jìn)入休眠狀態(tài)；

• 如果有 Source1，通知 Observers 結(jié)束休眠，處理消息事件；
  a. 處理 Timer；
  b. 處理 GCD 的隊(duì)列；
  c. 處理 Source1；

• 處理 blocks；

• 根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果，決定如何操作：

  • 可能不退出 RunLoop 繼續(xù)從處理 Timer 開(kāi)始；
  • 若退出 RunLoop，會(huì)通知 Observers 退出 Loop；

• 通知 Observers 退出 Loop；

執(zhí)行邏輯源碼解讀

在 CFRunLoop.c 中，SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) 為整個(gè) RunLoop 的入口。

去除細(xì)節(jié)和加鎖代碼，為：

SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) {         

    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry); // 通知 Observers 進(jìn)入 Loop
    result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode); // 主要的運(yùn)行邏輯

    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit); // 通知 Observers 退出 Loop

    return result;
}

在 __CFRunLoopRun 中有非常復(fù)雜的邏輯：

static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
    ...
    ...
    int32_t retVal = 0; 
    do {
        ...
        // 通知 Observers 即將處理 Timbers
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        // 通知 Observers 即將處理 Sources
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
        // 處理 blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        // 處理 Source0
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        if (sourceHandledThisLoop) {
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm); //再次處理 blocks
          }
        ...
    
        if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
            msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
            // 判斷有沒(méi)有 Source1
            if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
                // 如果有 Source1，跳轉(zhuǎn)到 handle_msg
                goto handle_msg;
            }
        }
        if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
    __CFRunLoopSetSleeping(rl); // 即將休眠
        ...
        do {
            ...
            // 等待別的消息喚醒當(dāng)前線程
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
        } while (1);
        ...

        __CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);
        __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting))         __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting); // 通知 Observers 結(jié)束休眠
    handle_msg:
        ...
        ...
        // if - else if - ... - else 的部分是判斷如何醒來(lái)的
        if (modeQueuePort != MACH_PORT_NULL && livePort == modeQueuePort) { // 被 Timers 喚醒
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
            if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())){
                    __CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
            }
        }
        else if (rlm->_timerPort != MACH_PORT_NULL && livePort == rlm->_timerPort) { // 被 Timers 喚醒
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
            
        else if (livePort == dispatchPort) { // 被 GCD 喚醒
            ...
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg); // 處理 GCD 相關(guān)
            ...
        } else { // 其余都被認(rèn)定是 Source1 喚醒
            ...
              sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply); // 處理 Source1
              ...
    } while (0 == retVal); // 整個(gè) do-while 就是循環(huán)處理事件的部分
    ...
    ...
}

需要注意的是，在通知線程進(jìn)入休眠的狀態(tài)時(shí)候并非傳統(tǒng)意義上的阻塞，而是真正的進(jìn)入了休眠狀態(tài)，也就是內(nèi)核層面的休眠。

內(nèi)核層面的 API 和操作系統(tǒng)打交道，并不開(kāi)放，應(yīng)用層面的 API 是開(kāi)放的，可以進(jìn)行 UI、網(wǎng)絡(luò)層等編程。

RunLoop 的實(shí)際應(yīng)用

控制線程周期

最典型的開(kāi)源框架 AFNetworking 就是用了 RunLoop 的技術(shù)來(lái)控制子線程的生命周期：創(chuàng)建線程后，一直讓線程處于內(nèi)存中不銷毀，在某一刻需要執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候就讓子線程處理，在某一刻銷毀子線程的話就停止 RunLoop。

假如，在控制器中有這樣一個(gè)需求，啟動(dòng)控制器的時(shí)候就開(kāi)啟子線程，并進(jìn)行線程保活在點(diǎn)擊停止按鈕的時(shí)候，就終止線程的 RunLoop，那么實(shí)現(xiàn)為：

#import "ViewController.h"
#import "VThread.h"

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) VThread* thread;
@property (assign, nonatomic, getter=isStopped) BOOL stopped;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    self.stopped = NO;
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    self.thread = [[VThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"%s %@", __func__, [NSThread currentThread]);
        
        // 向 RunLoop 中添加 Observers、Timers、Sources
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[[NSPort alloc] init] forMode: NSDefaultRunLoopMode];
        
        while (weakSelf && !weakSelf.isStopped) {
            [[NSRunLoop currentRunLoop] runMode: NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]]; // 永不超時(shí)，RunLoop 永遠(yuǎn)執(zhí)行
        }
        
        NSLog(@"==== end ====");
    }];
    
}
- (IBAction)stopButtonDidClick:(id)sender {
    
    
    if (!self.thread) return;
    // 子線程執(zhí)行終止 RunLoop
    // YES 標(biāo)識(shí)表示等待 stopRunLoop 執(zhí)行完再繼續(xù)走下面的邏輯
    [self performSelector:@selector(stopRunLoop) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone: YES];
}

- (void)dealloc {
    
    self.thread = nil;
    [self stopRunLoop];
}

// 終止子線程的 RunLoop
- (void)stopRunLoop {
    
    self.stopped = YES;
    CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent());
    // 清空線程
    self.thread = nil;

}
@end

NSTimer 失效問(wèn)題

NSTimer 在默認(rèn)情況是 NSDefaultRunLoopMode 模式的，那么在復(fù)雜的 UI 控制其中，在滑動(dòng) UIScrollView 及其子類的時(shí)候模式會(huì)切換為 UITrackingRunLoopMode 模式，造成只能在NSDefaultRunLoopMode 模式下工作的 Timer 的停止工作，進(jìn)而失效。

NSTimer 的 scheduled.... 系列方法都是設(shè)置的默認(rèn)模式，所以不建議使用。

那么解決辦法就是：

NSTimer* timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        // ....
    }];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

kCFRunLoopCommonModes 并不是一個(gè)真正的全新的模式，僅僅作為標(biāo)記的作用，標(biāo)記著任何模式下都是通用的、可行的。
在底層結(jié)構(gòu)中，CFRunLoop 的結(jié)構(gòu)體中：

struct __CFRunLoop {
    pthread_t _pthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
}

_commonModes 包裝的就是 kCFRunLoopCommonModes 和 UITrackingRunLoopMode。

其他應(yīng)用

• 監(jiān)控應(yīng)用卡頓
• 性能優(yōu)化

這里的卡頓檢測(cè)主要是針對(duì)在主線程執(zhí)行了耗時(shí)的操作所造成的，這樣可以通過(guò) RunLoop 來(lái)檢測(cè)卡頓：添加 Observer 到主線程 RunLoop 中，通過(guò)監(jiān)聽(tīng) RunLoop 狀態(tài)的切換的耗時(shí)，達(dá)到監(jiān)控卡頓的目的。