iOS RunLoop学习

RunLoop简介及与线程的关系：

简而言之，RunLoop就是一个“do-while”循环–一个事件队列循环。循环时，系统会依次从事件队列中取出事件并执行；没有事件处理时，RunLoop会进入休眠，等待事件唤醒处理，以节省系统资源，即“休眠->事件唤醒->处理事件->休眠…”的逻辑。

在iOS中，RunLoop存在的类为CFRunLoopRef和NSRunLoop。前者为CoreFoundation框架，C语言编写，线程安全；后者是OC封装，线程不安全。

RunLoop与线程是一一对应的。根据源代码（苹果的官方文档或下面的参考资料中可以看到）可知，RunLoop对象存在于底层的一个全局字典中，key为线程（线程指针），value为RunLoop对象。

应用初始化时，系统自动创建此全局字典，并自动创建主线程的RunLoop，以保证APP在运行时不退出。子线程的RunLoop不会自动创建。由于系统没有直接提供创建RunLoop的API，在子线程中只能通过CFRunLoopGetCurrent()或[NSRunLoop currentRunLoop]来间接获取Runloop（子线程中首次访问RunLoop时，系统会创建RunLoop对象并保存到全局字典中）。获取主线程的RunLoop的方式是CFRunLoopGetMain()和[NSRunLoop mainRunLoop]。

RunLoop的组成结构：

先看图（摘自深入理解RunLoop）

如图所示，RunLoop对象包含了若干个Mode对象（CFRunLoopModeRef），一个Mode对象中包含了若干个Item（Item为Source、Observer或Timer的一种或几种）。

其中CFRunLoopSourceRef分为Source0和Source1两种：source0对象只有一个Call_Out回调函数指针，不能主动唤醒RunLoop，处理事件时只能依照RunLoop的执行顺序被动执行或外界手动唤醒；source1对象则不同，除了带有Call_Out回调外，还包含一个Mach_Port端口参数（每个Source1唯一），外部可以通过这个端口与其进行线程间通信，且source1事件可以主动唤醒RunLoop进行处理。

CFRunLoopObserverRef即为监听者，带有Call_Out函数回调函数指针，外部可以监听对应Observer来识别当前RunLoop的活动状态，RunLoop的活动状态包括:

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
	// 即将进入RunLoop
	kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), 
	// 即将处理Timer
	kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
	// 即将处理Source
	kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
	// 即将进入休眠
	kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
	// 刚刚从睡眠中唤醒
	kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
	// 即将退出RunLoop
	kCFRunLoopExit = (1UL << 7)
};

CFRunLoopTimerRef是基于时间的触发器，也包含一个Call_Out回调函数指针（还有RunLoop上所有timer对象共享的的Mach_Port端口），与上层的NSTimer相同（toll-free bridged），添加到系统后，RunLoop会提前计算好触发时间并添加到RunLoop中，等待到时间时自动执行回调。

Timer、Source0（1）、Observer同城为mode item。一个item可以添加到多个item中（下面的common item会说明）。而且，只有当至少包含一个item的mode存在时，对应的RunLoop对象才会持续运行且不退出（线程“保活”的原因）。

RunLoop Mode的结构：

大致结构如下（摘自深入理解RunLoop），可以在APP启动后打印[NSRunLoop currentRunloop]自行查看完整RunLoop对象的结构：

struct __CFRunLoopMode {
	CFStringRef _name;	// mode的名称（如“kCFRunLoopDefaultMode”）
	CFMutableSetRef _source0;
	CFMutableSetRef _source1;
	CFMutableArrayRef _observers;
	CFMutableArrayRef _timers;
	...
}

struct __CFRunLoop {
	CFMutableSetRef _commonModes;
	CFMutableSetRef _commonModeItems;
	CFRunLoopModeRef _currentMode;	// 当前所处mode（即mode的name）
	CFMutableSetRef _modes;		// 包含所有支持的mode
	...
}

上面中的commonModes即为“标记为Common的mode对象集合”。对应的共享item即为commonModeItems集合。每当RunLoop内容变化时，_commonModeItems里面的所有item（observer、timer和source）都会同步到所有的commonModes的mode中。

例如，对主线程的RunLoop来说，commonModes即包含两个：kCFRunLoopDefaultMode（NSDefaultRunLoopMode）和UITrackingRunLoopMode。其中当app处于列表滑动状态时，主线程处于trackingMode；其余时候处于defaultMode。

同一时间，RunLoop只能处于一个mode模式下工作，切换mode时需要退出并重新指定mode。

RunLoop的内部逻辑：

就是“do-while”，看图（摘自深入理解RunLoop）：

主要的运行循环为2~9步，这部分实现了“do-while”的逻辑；
核心为第7步，在没有事件待处理时，进行休眠，等待事件唤醒。

RunLoop“休眠”机制：

休眠时，RunLoop执行的核心函数为：mach_msg();
此函数为XNU内核的Mach层的基本函数。Mach对象间使用“消息”在端口（“port”）之间进行进程间通信。
mach_msg()函数实际调用了函数mach_msg_trap()，即Mach陷阱函数。调用后，系统会切换至内核态，内核态中的mach_msg()函数完成真正的工作（休眠等待、唤醒等）。

看图（摘自深入理解RunLoop）：

RunLoop在APP中的功能：

• AutoReleasePool:

App启动后，iOS在主线程的RunLoop中注册了两个Observer，回调都是_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()，其中一个优先级为最高（-2147483647），一个为最低（2147483647），这保证了创建自动释放池在所有代码运行之前，且释放池在所有任务之后，使整个app的代码运行在自动释放池中，防止了内存泄漏。

• 事件响应：

iOS注册的用于接收系统硬件事件的Source1对象，回调为__IOHIDEventSystemClientCallback()，用于处理触摸、按键、传感器等事件。

处理逻辑为：SpringBoard接收到转化后的IOHIDEvent事件，通过mach_port转发给需要的App进程，之后source1的回调会主动触发，调用UIApplicationHandleEventQueue()进行应用内分发。 UIApplicationHandleEventQueue()会将事件包装成UIEvent进行处理或分发。其中，手势、屏幕旋转等转发给UIWindow进行处理，通常的UIButton点击、touchBegin等触摸事件直接在这个回调中进行处理。

• 手势识别：

识别手势时，系统会先调用cancel将touchBegin等事件进行打断，随后会将对应的UIGestureRecognizer标记为待处理。
iOS注册的beforeWaiting的observer所对应的回调即为集中处理手势识别的函数：_UIGestureRecognizerUpdateObserver()。其内部会检测所有已标记的手势对象，并调用手势的回调函数。

• 界面更新：

当我们设置了view的frame，更新了view或者layer的层次后，甚至手动调用setNeedsDisplay或setNeedsLayout后，系统并不是立即渲染页面，而是将所有的界面更新请求添加到一个整体的容器中，等待下个RunLoop事件运行时，才进行统一更新。

iOS会在RunLoop中注册一个Observer，分别监听beforeWaiting和Exit状态，对应的回调为_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。在这两个状态中，系统会遍历容器中所有的UI更新请求，并统一渲染更新。

• 定时器：

NSTimer即为CFRunLoopTimerRef（timer对象）。注册NSTimer后，系统会在指定的触发时间在RunLoop中添加好timer事件及回调（由于有tolerance时间，不会特别准确，而且若回调timer时，线程正在执行繁重的任务，可能会导致此次调用被错过）。
CADisplayLink，是一个与屏幕刷新率相同的定时器（与NSTimer不同，内部为source对象）。功能上与timer相同，且仍然会被长任务卡住。

• PerformSelector：

调用NSObject的performSelector:afterDelay:时，系统即创建一个timer并添加到线程的RunLoop中（与timer相同）。若此时线程没有RunLoop，则此方法无效（子线程需调用[[NSRunLoop currentRunLoop] run]才可）。

• GCD：

主要是在dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block)中，libDispatch会发消息主动唤醒主线程的RunLoop，RunLoop即获取block并在CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE()中执行这个block。但是在子线程的GCD异步函数中，还是直接由libDispatch进行处理。

• 网络请求：

iOS的网络请求此下而上分为：

CFSocket -> 负责基本的socket通信
CFNetwork -> socket的封装（ASIHTTPRequest在这工作）
NSURLConnection -> AFNetworking 1.x
NSURLSession -> AFNetworking 2.x，Alamofire

这里解释一下NSURLConnection的delegate不断被调用的原因，NSURLConnection的主要工作过程，看图先（摘自深入理解RunLoop）：

NSURLConcentration在调用start开始请求后，delegate会获取请求线程的RunLoop对象，在其中的defaultMode中添加4个source0对象。其中CFMultiplexerSource负责delegate的各种回调，CFHTTPCookieStorage负责各种Cookie。
开始网络传输时，NSURLConcentration创建了两个新线程（上图中的CFSocket线程和ConnectionLoader线程），ConnectionLoader线程的RunLoop会接受底层socket线程的source1传递的消息，并通过请求线程的source0事件，唤醒请求线程并调用相应的delegate回调。

实际应用举例：

• 监听RunLoop的运行状态（添加observer到RunLoop）：

CFAllocatorRef allocator = CFAllocatorGetDefault(); // 内存开辟方式
CFOptionFlags activites = kCFRunLoopAllActivities; // 监控活动类型（这里是所有类型）
Boolean repeats = true; // 重复监听
CFIndex order = 0; // 优先级
// 给主线程的runloop添加observer
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(allocator, activites, repeats, order, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
    switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
            NSLog(@"runloop进入了~");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeTimers:
            NSLog(@"准备执行timer了~");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeSources:
            NSLog(@"准备执行source了~");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
            NSLog(@"准备休眠了~");
            break;
        case kCFRunLoopAfterWaiting:
            NSLog(@"刚刚唤醒~");
            break;
        case kCFRunLoopExit:
            NSLog(@"退出了runloop~");
            break;
        default:
            break;
    }
});

// 添加observer到主runloop的defaultMode上
CFRunLoopRef mainRunLoop = CFRunLoopGetMain();
CFRunLoopMode runLoopMode = kCFRunLoopDefaultMode;
CFRunLoopAddObserver(mainRunLoop, observer, runLoopMode);

• 设置定时器（添加timer到RunLoop）：

1. 使用NSTimer在子线程创建：

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:5 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"hahahah~");
    }];
    // 默认在子线程是不存在RunLoop的，必须告知系统创建
    // 且保持RunLoop不退出的前提是，存在一个item（timer、observer或source）
    [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
});

如上所示，不调用RunLoop的run方法，timer在子线程不会执行。

1. 使用GCD的dispatch的资源对象创建：

@interface ViewController ()

/** 使用GCD添加的timer */
@property (strong, nonatomic) dispatch_source_t timer;

@end

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [self addTimerToRunLoop];
}

/** 向runloop上添加timer（这里是GCD方式） */
- (void)addTimerToRunLoop {
//    dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    dispatch_queue_t myQueue = dispatch_queue_create("com.jiji.my_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
//    dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();
    
    // 在队列中创建timer资源对象
    dispatch_source_t timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, myQueue);
    // 保留timer（GCD不会保留timer资源对象）
    self.timer = timer;
    
    
    // 设置timer资源的间隔和宽容度
    dispatch_source_set_timer(timer, DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC, 0 * NSEC_PER_SEC);
    // 设置timer资源的事件回调
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        NSLog(@"==%@==", [NSThread currentThread]);
    });
    // 启动timer资源
    dispatch_resume(timer);
}

- (void)cancelTimer {
    dispatch_cancel(self.timer);
    self.timer = nil;
}

@end

注意，使用GCD的方式创建timer，系统不会保留dispatch_source_t对象，需要自己保留，否则创建后会直接释放。取消时使用dispatch_cancel()。

• performSelector测试：

在子线程中调用performSelector：

// backgroundThread
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 相当于直接调用（没有通过runloop直接同步执行）
    [self performSelector:@selector(performTask) withObject:nil];

    NSLog(@"before ---- %@", [NSRunLoop currentRunLoop]);

    // 直接调用不执行（runloop没有启动）
    // 实际上是在runloop的mode中加入了source0和source1两个事件
    [self performSelector:@selector(performTask) onThread:[NSThread currentThread] withObject:nil waitUntilDone:NO];

    NSLog(@"after ==== %@", [NSRunLoop currentRunLoop]);

    // 启动runloop
    [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
});

• 线程“保活”：

@interface ViewController ()

/** 保证不结束的自定义线程 */
@property (strong, nonatomic) NSThread *liveThread;

@end

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 保活线程测试
    [self liveThreadTest];    
}

/** 长时间存活的线程 */
- (void)liveThreadTest {
    self.liveThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(startLiveThread) object:nil];
    [self.liveThread start];
    // 点击一次屏幕，执行一次线程的任务
    
}

- (void)startLiveThread {
    NSLog(@"%@", NSStringFromSelector(_cmd));
    // 在自定义线程中添加一个source1对象（这里是NSPort对象）到runloop中
    // 并启动runloop
    // 以保证runloop一直有任务而不退出
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
}

- (void)liveThreadTask {
    NSLog(@"%@", NSStringFromSelector(_cmd));
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {    
    // 在自定义线程中执行任务
    [self performSelector:@selector(liveThreadTask) onThread:self.liveThread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}
@end

• 在scrollView滑动时，也可以执行主线程的定时器：

将timer添加到主线程RunLoop的commonMode中：

NSTimer *timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:0.5 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
    NSLog(@"timer---");
}];
[[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

参考资料：

• Run Loops
• 深入理解RunLoop
• iOS刨根问底-深入理解RunLoop
• iOS RunLoop详解
• Dispatch Source Timer的使用及注意事项介绍
• IOS—实例化讲解RunLoop