iOS RunLoop(1)-底层解析

1. RunLoop定义

RunLoop：运行循环，在程序运行过程中循环做一些事情。所涉及的范畴包括：
① 定时器（Timer）、PerformSelector;
② GCD Async Main Queue;
③ 事件响应、手势识别、界面刷新；
④ 网络请求；
⑤ AutoreleasePool。

runlooper示意图.png

通常情况下如果我们创建一个Command Line Tool项目，如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

程序在执行到Line13之后，马上会执行Line15，然后程序退出,因为此段代码中没有runloop.
但是在我们的iOS项目中并不是和Command Line Tool一样写main函数的.

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

我们可以通过runloop的源码得知runloop的原理,所以我们模拟可以写代码模拟

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int retVal = 0;
        do {
            // 睡眠中等待消息
            int message = sleep_and_wait();
            // 处理消息
            retVal = process_message(message);
        } while (0 == retVal);
        
        return 0;
    }
}

有了RunLoop，程序并不会马上退出，而是保持运行状态。RunLoop可以处理App中的各种事件（比如触摸事件、定时器事件等）；RunLoop可以在该做事的时候做事，该休息的时候休息，从而节约CPU资源，提高程序性能。
iOS中提供两套API来访问和使用RunLoop，分别为Foundation框架下面的NSRunLoop和Core Foundation下面的CFRunLoopRef。
NSRunLoop和CFRunLoopRef都是RunLoop对象，其中NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装(参考图NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装.png)，CFRunLoopRef是开源的，开源地址。

参考图NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装.png

上图中，touch事件在主线程中触发，主线程所对应的RunLoop为mainRunLoop，通过OC与C语言的API访问RunLoop地址，可见两者指针不同，但是NSLog(@"%@",[NSRunLoop currentRunLoop]);输出的RunLoop详细信息发现NSRunLoop本质也是一个CFRunLoop，并且其地址与CFRunLoopGetMain()相同，进而可以说明NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装。

2. RunLoop与线程的关系

平时都是通过:获取当前线程CFRunLoopGetCurrent();,获取主线程CFRunLoopGetMain();.下面我们就来分析一下这两个函数都做了什么,我们可以通过CFRunLoop源码来看一下.

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    static CFRunLoopRef __main = NULL; // no retain needed
    if (!__main) __main = _CFRunLoopGet0(pthread_main_thread_np()); // no CAS needed
    return __main;
}

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

在调用CFRunLoopGetCurrent(),CFRunLoopGetMain()函数时，函数内部都会调用_CFRunLoopGet0(pthread_t t)函数，并传入不同的线程作为参数。可见调用CFRunLoopGetMain()时，传入的是主线程，调用CFRunLoopGetCurrent()时传入的是当前的线程(子线程或主线程)。接下来继续看看_CFRunLoopGet0(pthread_t t)函数：

// should only be called by Foundation
// t==0 is a synonym for "main thread" that always works
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
    if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
    t = pthread_main_thread_np();
    }
    __CFLock(&loopsLock);
    if (!__CFRunLoops) {
        __CFUnlock(&loopsLock);
    CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
    CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
    CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
    if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
        CFRelease(dict);
    }
    CFRelease(mainLoop);
        __CFLock(&loopsLock);
    }
    CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    __CFUnlock(&loopsLock);
    if (!loop) {
    CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
        __CFLock(&loopsLock);
    loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    if (!loop) {
        CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
        loop = newLoop;
    }
        // don't release run loops inside the loopsLock, because CFRunLoopDeallocate may end up taking it
        __CFUnlock(&loopsLock);
    CFRelease(newLoop);
    }
    if (pthread_equal(t, pthread_self())) {
        _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoop, (void *)loop, NULL);
        if (0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr)) {
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr, (void *)(PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1), (void (*)(void *))__CFFinalizeRunLoop);
        }
    }
    return loop;
}

透过_CFRunLoopGet0(pthread_t t)源码，如果__CFRunLoops不存在，系统就会利用当前的主线程"pthread_main_thread_np()"创建一个mainLoop，也就是“mainRunLoop”，然后将创建RunLoop的线程作为key，RunLoop作为value添加到一个全局的字典CFDictionarySetValue中。最后获取"pthread_t"线程对应的loop并返回loop。如果"pthread_t"不是主线程，用同样的方法创建一个新的RunLoop，即"newLoop"，同样将"newLoop"存放到字典中然后返回newLoop。所以关于RunLoop与线程的关系可以总结如下：

  • 每条线程都有唯一的一个与之对应的RunLoop对象；
  • RunLoop保存在一个全局的Dictionary里 ,线程作为key , Runloop作为value；
  • 线程刚创建时并没有RunLoop对象, RunLoop会在第一次获取它时创建；
  • RunLogp会在线程结束时销毁；
  • 主线程的RunLoop已经自动获取(创建) ,子线程默认没有开启Runloop。

3. RunLoop对象结构

获取RunLoop对象

//Foundation
[NSRunLoop currentRunLoop];  // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop];  // 获得主线程的RunLoop对象
//Core Foundation
CFRunLoopGetCurrent();  // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain();  // 获得主线程的RunLoop对象

我们可以用NSLog(@"%@",[NSRunLoop currentRunLoop]);方法打印Runloop对象,打印出RunLoop大概包含current mode、common modes、common mode items、modes这些信息。实际上从开源的文档里，RunLoop包含的成员远不止上面这些，具体包含内容如下图：

RunLoop结构体成员.png

其中比较重要的是"_modes"这个成员，它是一个集合类型，里面存放了多个CFRunLoopMode类型的mode成员，一个RunLoop可以有多个mode，这些mode都包含在"_modes"里。CFRunLoopMode结构体如下：

CFRunLoopMode 结构体.png

CFRunLoopModeRef的定义

  • CFRunLoopModeRef代表RunLoop的运行模式;
  • 一个RunLoop包含若干个Mode，每个Mode又包含若干个Source0/Source1/Timer/Observer;
  • RunLoop启动时只能选择其中一个Mode，作为currentMode
    如果需要切换Mode，只能退出当前Loop，再重新选择一个Mode进入:
         ①为什么要先退出再进入;
         ②不同组的Source0/Source1/Timer/Observer能分隔开来，互不影响;
  • 如果Mode里没有任何Source0/Source1/Timer/Observer，RunLoop会立马退出

4. CFRunLoopModeRef的常用的两种model

kCFRunLoopDefaultMode（NSDefaultRunLoopMode）：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行;
UITrackingRunLoopMode：界面跟踪 Mode，用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他 Mode 影响;
其实还有一种特殊的模式kCFRunLoopCommonModes 的模式NSDefaultRunLoopMode、UITrackingRunLoopMode才是真正存在的模式 NSRunLoopCommonModes并不是一个真的模式，它只是一个标记;

每一种mode里面都有source0、source1、observers、timers，他们主要负责的内容如下：

  • Source0
    触摸事件处理
    performSelector:onThread:
  • Source1
    基于Port的线程间通信
    系统事件捕捉
  • Timers
    NSTimer
    performSelector:withobiect:afterDelay;
  • Observers
    用于监听Runloop的状态
    UI刷新( BeforeWaiting)
    Autorelease pool ( BeforeWaiting )

两种方式监听RunLoop状态：

方式①：
- (void)viewDidLoad {
    
    [super viewDidLoad];
    // 创建Observer
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        
        CFRunLoopMode mode = CFRunLoopCopyCurrentMode(CFRunLoopGetCurrent());
        switch (activity) {
            case kCFRunLoopEntry: {
                NSLog(@"kCFRunLoopEntry - %@", mode);
                CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopBeforeTimers:{
                NSLog(@"kCFRunLoopBeforeTimers - %@", mode);
                  CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopBeforeSources:{
                NSLog(@"kCFRunLoopBeforeSources - %@", mode);
                  CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopBeforeWaiting:{
                NSLog(@"kCFRunLoopBeforeWaiting - %@", mode);
                  CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopAfterWaiting:{
                NSLog(@"kCFRunLoopAfterWaiting - %@", mode);
                  CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopExit: {
                NSLog(@"kCFRunLoopExit - %@", mode);
                CFRelease(mode);
                break;
            }
                
            default:
                break;
        }
    });
    // 添加Observer到RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    // 释放
    CFRelease(observer);
}


方式②：
void observeRunLoopActicities(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info)
{
    CFRunLoopMode mode = CFRunLoopCopyCurrentMode(CFRunLoopGetCurrent());
    switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
             NSLog(@"kCFRunLoopEntry - %@", mode);
            break;
        case kCFRunLoopBeforeTimers:
             NSLog(@"kCFRunLoopBeforeTimers - %@", mode);
            break;
        case kCFRunLoopBeforeSources:
             NSLog(@"kCFRunLoopBeforeSources - %@", mode);
            break;
        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
             NSLog(@"kCFRunLoopBeforeWaiting - %@", mode);
            break;
        case kCFRunLoopAfterWaiting:
             NSLog(@"kCFRunLoopAfterWaiting - %@", mode);
            break;
        case kCFRunLoopExit:
             NSLog(@"kCFRunLoopExit - %@", mode);
            break;
        default:
            break;
    }
     CFRelease(mode);
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // kCFRunLoopCommonModes默认包括kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode
    
    // 创建Observer
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, observeRunLoopActicities, NULL);
    // 添加Observer到RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    // 释放
    CFRelease(observer);
}

CFRunLoopObserverRef的几种状态

/* Run Loop Observer Activities */
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),                                //即将推出Loop
          KCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFU
}

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