深入理解RunLoop

一、RunLoop 的概念

一般來講，一個線程一次只能執(zhí)行一個任務(wù)，執(zhí)行完成后線程就會退出。如果我們需要一個機(jī)制，讓線程能隨時處理事件但并不退出，通常的代碼邏輯是這樣的：

- function loop() {
     initialize();
     do {
         var message = get_next_message();
         process_message(message);
     } while (message != quit);
}

RunLoop實(shí)際上是一個對象，這個對象在循環(huán)中用來處理程序運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種事件（比如說觸摸事件、UI刷新事件、定時器事件、Selector事件），從而保持程序的持續(xù)運(yùn)行；而且在沒有事件處理的時候，會進(jìn)入睡眠模式，從而節(jié)省CPU資源，提高程序性能。

二、RunLoop基本作用

  1. 保持程序持續(xù)運(yùn)行
    程序一啟動就會開一個主線程，主線程一開起來就會跑一個主線程對應(yīng)的RunLoop,RunLoop保證主線程不會被銷毀，也就保證了程序的持續(xù)運(yùn)行。

  2. 處理App中的各種事件
    比如：觸摸事件，定時器事件，Selector事件等。

  3. 節(jié)省CPU資源，提高程序性能
    程序運(yùn)行起來時，當(dāng)什么操作都沒有做的時候，RunLoop就告訴CUP，現(xiàn)在沒有事情做，我要去休息，這時CUP就會將其資源釋放出來去做其他的事情，當(dāng)有事情做的時候RunLoop就會立馬起來去做事情。

我們先通過API內(nèi)一張圖片來簡單看一下RunLoop內(nèi)部運(yùn)行原理：

RunLoop內(nèi)部運(yùn)行原理

通過上圖可以看出，RunLoop在跑圈過程中，當(dāng)接收到Input sources 或者 Timer sources時就會交給對應(yīng)的處理方去處理。當(dāng)沒有事件消息傳入的時候，RunLoop就休息了。

三、RunLoop 與線程的關(guān)系

  1. 每個線程，包括程序的主線程都有與之相應(yīng)的RunLoop對象。但主線程默認(rèn)自動創(chuàng)建好了RunLoop對象
  2. 對其它線程來說，RunLoop默認(rèn)是沒有創(chuàng)建的，如果你需要更多的線程交互則可以手動配置和啟動，如果線程只是去執(zhí)行一個長時間的已確定的任務(wù)則不需要。
  3. 蘋果不允許直接創(chuàng)建 RunLoop，它只提供了兩個自動獲取的函數(shù)：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函數(shù)內(nèi)部的邏輯大概是下面這樣:
/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
static CFSpinLock_t loopsLock;
 
/// 獲取一個 pthread 對應(yīng)的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
    
    if (!loopsDic) {
        // 第一次進(jìn)入時，初始化全局Dic，并先為主線程創(chuàng)建一個 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
    
    /// 直接從 Dictionary 里獲取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
    
    if (!loop) {
        /// 取不到時，創(chuàng)建一個
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注冊一個回調(diào)，當(dāng)線程銷毀時，順便也銷毀其對應(yīng)的 RunLoop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
    
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

從上面的代碼可以看出，線程和 RunLoop 之間是一一對應(yīng)的，其關(guān)系是保存在一個全局的 Dictionary 里。線程剛創(chuàng)建時并沒有 RunLoop，如果你不主動獲取，那它一直都不會有。RunLoop 的創(chuàng)建是發(fā)生在第一次獲取時，RunLoop 的銷毀是發(fā)生在線程結(jié)束時，你只能在一個線程的內(nèi)部獲取其 RunLoop（主線程除外）。

四、RunLoop相關(guān)類

Core Foundation中關(guān)于RunLoop的5個類：

CFRunLoopRef //獲得當(dāng)前RunLoop和主RunLoop
CFRunLoopModeRef //運(yùn)行模式，只能選擇一種，在不同模式中做不同的操作
CFRunLoopSourceRef //事件源，輸入源
CFRunLoopTimerRef //定時器時間
CFRunLoopObserverRef //觀察者

其中 CFRunLoopModeRef 類并沒有對外暴露，只是通過 CFRunLoopRef 的接口進(jìn)行了封裝。他們的關(guān)系如下:

  1. CFRunLoopModeRef 一個 RunLoop 包含若干個 Mode，每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次調(diào)用 RunLoop 的主函數(shù)時，只能指定其中一個 Mode，這個Mode被稱作 CurrentMode。如果需要切換 Mode，只能退出 Loop，再重新指定一個 Mode 進(jìn)入。這樣做主要是為了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer，讓其互不影響。
Cocoa和Core Foundation定義的標(biāo)準(zhǔn)模式，其中常見的有1.2兩種：
Mode name Description
Default NSDefaultRunLoopMode (Cocoa)、kCFRunLoopDefaultMode (Core Foundation) 默認(rèn)模式用于大多數(shù)操作。大多數(shù)情況下，您應(yīng)該使用此模式啟動運(yùn)行循環(huán)并配置輸入源。
Event tracking NSEventTrackingRunLoopMode (Cocoa) 此模式來限制鼠標(biāo)拖動循環(huán)和其他用戶界面跟蹤循環(huán)期間的傳入事件。
Connection NSConnectionReplyMode (Cocoa) Cocoa將此模式與NSConnection對象結(jié)合使用來監(jiān)視響應(yīng)。應(yīng)該很少需要使用這種模式。
Modal NSModalPanelRunLoopMode (Cocoa) Cocoa使用此模式來標(biāo)識用于模態(tài)面板的事件。
Common modes NSRunLoopCommonModes (Cocoa)、kCFRunLoopCommonModes (Core Foundation) 這是一組可配置的常用模式。將輸入源與此模式關(guān)聯(lián)也將其與組中的每個模式關(guān)聯(lián)。對于Cocoa應(yīng)用程序，默認(rèn)情況下，這個集合包括默認(rèn)模式、模式和事件跟蹤模式。Core Foundation最初只包含默認(rèn)模式。您可以使用CFRunLoopAddCommonMode函數(shù)向集合添加自定義模式。
-- GSEventReceiveRunLoopMode 用來接受系統(tǒng)事件，內(nèi)部的Run Loop Mode。

系統(tǒng)默認(rèn)注冊了5個ModekCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode、GSEventReceiveRunLoopMode、kCFRunLoopCommonModes、UIInitializationRunLoopMode。通過CFRunLoopCopyAllModes()獲取能獲取到前四種mode。

  1. CFRunLoopSourceRef 是事件產(chǎn)生的地方。Source有兩個版本：Source0 和 Source1。
    ? Source0 只包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針），它并不能主動觸發(fā)事件。使用時，你需要先調(diào)用 CFRunLoopSourceSignal(source)，將這個 Source 標(biāo)記為待處理，然后手動調(diào)用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop，讓其處理這個事件。
    ? Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調(diào)（函數(shù)指針），被用于通過內(nèi)核和其他線程相互發(fā)送消息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程，其原理在下面會講到。

  2. CFRunLoopTimerRef 是基于時間的觸發(fā)器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含一個時間長度和一個回調(diào)（函數(shù)指針）。當(dāng)其加入到 RunLoop 時，RunLoop會注冊對應(yīng)的時間點(diǎn)，當(dāng)時間點(diǎn)到時，RunLoop會被喚醒以執(zhí)行那個回調(diào)。

  3. CFRunLoopObserverRef 是觀察者，每個 Observer 都包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針），當(dāng) RunLoop 的狀態(tài)發(fā)生變化時，觀察者就能通過回調(diào)接受到這個變化。可以觀測的時間點(diǎn)有以下幾個：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即將進(jìn)入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將進(jìn)入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 剛從休眠中喚醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即將退出Loop
};

上面的 Source/Timer/Observer 被統(tǒng)稱為 mode item，一個 item 可以被同時加入多個 mode。但一個 item 被重復(fù)加入同一個 mode 時是不會有效果的。如果一個 mode 中一個 item 都沒有，則 RunLoop 會直接退出，不進(jìn)入循環(huán)。

? Source0處理觸摸事件、performSelector:onThread
? Source1處理基于Port的線程間通信、系統(tǒng)事件捕捉
? Timers處理NSTimer、performSelector:withObject:afterDelay:
? Observers用于監(jiān)聽RunLoop的狀態(tài)、UI刷新「BeforeWaiting」Autorelease pool「BeforeWaiting」

五、RunLoop處理邏輯

根據(jù)蘋果在文檔里的說明，RunLoop 內(nèi)部的邏輯大致如下:

RunLoop處理邏輯

圖片上在處理source0之前會處理blocks，處理完source0之后還會判斷一下是否有需要處理的blocks，實(shí)際上 RunLoop 就是這樣一個函數(shù)，其內(nèi)部是一個 do-while 循環(huán)。當(dāng)你調(diào)用 CFRunLoopRun() 時，線程就會一直停留在這個循環(huán)里；直到超時或被手動停止，該函數(shù)才會返回。

其內(nèi)部代碼整理如下：

/// 用DefaultMode啟動
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode啟動，允許設(shè)置RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的實(shí)現(xiàn)
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根據(jù)modeName找到對應(yīng)mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里沒有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進(jìn)入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 內(nèi)部函數(shù)，進(jìn)入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
 
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發(fā) Timer 回調(diào)。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發(fā) Source0 (非port) 回調(diào)。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 執(zhí)行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            /// 4. RunLoop 觸發(fā) Source0 (非port) 回調(diào)。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 執(zhí)行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 處于 ready 狀態(tài)，直接處理這個 Source1 然后跳轉(zhuǎn)去處理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進(jìn)入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 調(diào)用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。線程將進(jìn)入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒。
            /// ? 一個基于 port 的Source 的事件。
            /// ? 一個 Timer 到時間了
            /// ? RunLoop 自身的超時時間到了
            /// ? 被其他什么調(diào)用者手動喚醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
 
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息，處理消息。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一個 Timer 到時間了，觸發(fā)這個Timer的回調(diào)。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，執(zhí)行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
 
            /// 9.3 如果一個 Source1 (基于port) 發(fā)出事件了，處理這個事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            /// 執(zhí)行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
 
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 進(jìn)入loop時參數(shù)說處理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出傳入?yún)?shù)標(biāo)記的超時時間了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部調(diào)用者強(qiáng)制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一個都沒有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果沒超時，mode里沒空，loop也沒被停止，那繼續(xù)loop。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

參考：
ibireme
李峰峰
CFRunLoopRef

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