逃不出的圈子 -- RunLoop

2017-02-23 本文已影响647人 klike

本文大量参考YY大神的深入理解RunLoop，整理了一下思路，化繁为简，仅作为学习资料整理。

RunLoop，顾名思义就是跑圈，相信每个iOS开发者都听闻过，但是好多人都是一知半解，毋庸置疑，RunLoop是iOS进阶过程中不可逃避的一个坎，面试的时候也遇到过不少相关问题吧，所以咯，逃不出的圈子 -- RunLoop

问题

当scroll滑动时，同页面上的定时器为什么会暂停？
怎么在tableview滑动时延迟加载图片来提高流畅度？
常说的AFNetworking常驻线程保活是什么原理？
...

基本概念

其实上述问题都与RunLoop有关系，要想弄清楚其中的原因，就需要理解RunLoop到底是什么？

RunLoop：让线程能随时处理事件但并不退出的一种机制

我们知道每个程序的入口都是main函数：

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

就这么几行代码，可是不应该是代码执行完后程序就结束了吗？那我们见到的程序是怎么能长时间保持在活跃状态的？这一切都是RunLoop的功劳，其实UIApplicationMain()会创建主线程，主线程内部会主动开启一个RunLoop，而RunLoop本质上就是一个do-while循环，只要条件满足，就会不停的循环，进而程序一直保持运行的状态。RunLoop源码：

void CFRunLoopRun(void) {    /* DOES CALLOUT */
    int32_t result;
    do {
        result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
        CHECK_FOR_FORK();
    } while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}

原来程序是这样子一直运行的呀，一直单纯这样循环是不是会影响性能？所以RunLoop在这机制的关键在于：如何管理事件/消息，如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒

要了解这种机制，我们只有进一步分析源代码了。我们先看看RunLoop相关的API：

CFRunLoopRef：CoreFoundation 框架内的，基于C语言
NSRunLoop：基于CFRunLoopRef的进一步封装，提供了面向对象的 API

所以我们下面都是基于对CFRunLoopRef的源码分析，在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

CFRunLoopRef //就是RunLoop，提供CFRunLoopGetMain()和CFRunLoopGetCurrent()
CFRunLoopModeRef //RunLoop运行模式
CFRunLoopSourceRef //RunLoop里面内容 -- 事件源，输入源
CFRunLoopTimerRef //RunLoop里面内容 -- 定时器
CFRunLoopObserverRef //RunLoop里面内容 -- 观察者

RunLoop_0.png
上面是RunLoop的结构图，可以看出，一个RunLoop里面可以有多个mode，每个mode又可以多个source，observer，timer。可是每次RunLoop只能指定一个mode运行，如果想要切换mode，就必须先退出RunLoop，然后重新指定mode运行，这样做的目的就是避免mode之间相互影响

CFRunLoopModeRef

创建RunLoop时，系统默认注册了五种mode：

1. kCFRunLoopDefaultMode: 默认 mode，通常主线程在这个 mode 下运行
2. UITrackingRunLoopMode: 追踪mode，保证Scrollview滑动顺畅不受其他 mode 影响
3. UIInitializationRunLoopMode: 启动程序后的过渡mode，启动完成后就不再使用
4: GSEventReceiveRunLoopMode: Graphic相关事件的mode，通常用不到
5: kCFRunLoopCommonModes: 占位用的mode，作为标记kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode用

当scroll滑动时，同页面上的定时器为什么会暂停？

这个问题在这里就能得到解释了，当你用

func scheduledTimer(withTimeInterval interval: TimeInterval, repeats: Bool, block: @escaping (Timer) -> Swift.Void) -> Timer

创建一个timer时，系统默认把timer添加到kCFRunLoopDefaultMode模式中，但是当页面滚动的时候，RunLoop的Mode会自动切换成UITrackingRunLoopMode模式，因此timer失效，当停止滑动，RunLoop又会切换回NSDefaultRunLoopMode模式，因此timer又会重新启动了。
kCFRunLoopCommonModes的存在就是来解决这个问题的，RunLoop运行时，会把kCFRunLoopCommonModes中的资源下发到每一个NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode中，所以加入到kCFRunLoopCommonModes中的timer不管在页面有没有滑动时都会运行。解决方法：

let timer = Timer.init(timeInterval: 1, repeats: true) { }
RunLoop.main.add(timer, forMode: .commonModes)

怎么在tableview滑动时延迟加载图片来提高流畅度？

这个问题也是同理，把加载图片放入NSDefaultRunLoopMode模式中就可以避免了：

[self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"abc"] afterDelay:2.0 inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];

CFRunLoopSourceRef

事件产生的地方，分为 **Source0 **和 Source1 两种

**Source0 **：只包含了一个回调（函数指针），它并不能主动触发事件。使用时，你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个 Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop，让其处理这个事件
**Source1 **：包含了一个 mach_port 和一个回调（函数指针），被用于通过内核和其他线程相互发送消息。这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程

CFRunLoopTimerRef

基于时间的触发器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含一个时间长度和一个回调（函数指针）。当其加入到 RunLoop 时，RunLoop会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调

CFRunLoopObserverRef

观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：

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), // 即将退出Loop
};

其中最重要就是，休眠与唤醒之间的切换，核心代码：

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 内部函数，进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
 
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            /// • 一个基于 port 的Source 的事件。
            /// • 一个 Timer 到时间了
            /// • RunLoop 自身的超时时间到了
            /// • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
 
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息，处理消息。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
 
            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
 
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果没超时，mode里没空，loop也没被停止，那继续loop。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

具体流程表现为下图：

RunLoop_1.png

看到有些人指出图中第七步中，Source0应该改为Source1，因为只有Source1能主动唤醒RunLoop，但是这里没有强调是主动唤醒，Source0也可以通过手动来唤醒。而且这里Source0后面有标注基于port，猜测这种Source0可能是基于port 的Source1分发出来的。

RunLoop 的核心就是一个 mach_msg()，当一个RunLoop处理完事件后，即将进入休眠时，会经历下面几步：

1. 指定一个将来唤醒自己的mach_port端口
2. 调用mach_msg来监听这个端口，保持mach_msg_trap状态
3. 由另一个线程（比如有可能有一个专门处理键盘输入事件的loop在后台一直运行）向内核发送这个端口的msg后，mach_msg_trap状态被唤醒，RunLoop继续运行

mach相关方法涉及到内核，这里不做深入

常说的AFNetworking常驻线程保活是什么原理？
我们知道，当子线程中的任务执行完毕之后就被销毁了，那么如果我们需要开启一个子线程，在程序运行过程中永远都存在，那么我们就会面临一个问题，如何让子线程永远活着，答案就是给子线程开启一个RunLoop，下面是AFNetworking相关源码：

+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    @autoreleasepool {
        [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLoop run];
    }
}
 
+ (NSThread *)networkRequestThread {
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        _networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}

RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Source，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。通常情况下，调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内；但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出，并没有用于实际的发送消息。
ps.RunLoop 启动前内部就算有一个observer也是会返回的。源代码：

__CFRunLoopModeIsEmpty
{
if (NULL != rlm->_sources0 && 0 _sources0)) return false;
if (NULL != rlm->_sources1 && 0 _sources1)) return false;
if (NULL != rlm->_timers && 0 _timers)) return false;
}

注意点

AutoreleasePool
App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer：
第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。
第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。
在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不必显示创建 Pool 了
GCD
GCD与RunLoop是平级合作关系，GCD的timer跟RunLoop没关系，只是调用点在RunLoop上，需要注意的是，GCD中的dispatch到mainqueue的block被分发到RunLoop.main执行
事件响应
当一个事件(触摸/锁屏/摇晃等)发生后，首先由 SpringBoard 接收，随后用 mach port 转发给需要的App进程，从而触发进程的Source1 （基于 mach port ，提前注册用来接收系统事件的Source）的回调_UIApplicationHandleEventQueue()，把事件包装成 UIEvent 进行处理或分发（之后的事件分发处理，可以看从用户点击屏幕到程序作出反应之间都发生了什么？ --- iOS事件响应）。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在这个回调中完成的
这里有一点值得注意，当我们点击一个按钮后，进行断点调试可以发现调用的函数栈里显示的是Source0:

btnClick.png

原因：首先是由那个Source1 接收事件，之后在回调内触发的 Source0，Source0 再触发的 _UIApplicationHandleEventQueue()进行事件分发和处理。所以UIButton事件看到是在 Source0 内的。

线程
RunLoop的寄生于线程：一个线程只能有唯一对应的RunLoop，但这个根RunLoop里可以嵌套子RunLoop，主线程的RunLoop自动创建，子线程的RunLoop默认不创建，在子线程中调用NSRunLoop.current获取RunLoop对象的时候，就会创建RunLoop
界面刷新
当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。苹果注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting(即将进入休眠) 和 Exit (即将退出Loop) 事件，回调去执行一个很长的函数：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个函数里会遍历所有待处理的 UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。

参考：
深入理解RunLoop
iOS线下分享《RunLoop》by 孙源@sunnyxx