iOS 多线程之RunLoop

感情有着极大的鼓舞力量，因此，它是一切道德行为的重要前提，谁要是没有强烈的志向，也就不能够热烈地把这个志向体现于事业中。 —— 凯洛夫

RunLoop简介

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1. 什么是RunLoop
可以理解为字面意思：Run 表示运行，Loop 表示循环。结合在一起就是运行的循环的意思，即循环运行。其次RunLoop 实际上是一个对象，这个对象在循环中用来处理程序运行过程中出现的各种事件（比如说触摸事件、UI刷新事件、定时器事件、Selector事件），从而保持程序的持续运行。RunLoop 在没有事件处理的时候，会使线程进入睡眠模式，从而节省 CPU 资源，提高程序性能。

2. RunLoop和线程的关系
RunLoop 和线程是息息相关的，我们知道线程的作用是用来执行特定的一个或多个任务，在默认情况下，线程执行完之后就会退出，就不能再执行任务了。这时我们就需要采用一种方式来让线程能够不断地处理任务，并不退出。所以，我们就有了 RunLoop。

• 一条线程对应一个RunLoop对象，每条线程都有唯一一个与之对应的 RunLoop 对象。
• RunLoop 并不保证线程安全。我们只能在当前线程内部操作当前线程的 RunLoop 对象，而不能在当前线程内部去操作其他线程的 RunLoop 对象方法。
• RunLoop 对象在第一次获取 RunLoop 时创建，销毁则是在线程结束的时候。
• 主线程的 RunLoop 对象系统自动帮助我们创建好了（原理如3所示），而子线程的 RunLoop对象需要我们主动创建和维护。

3. 默认情况下主线程的 RunLoop 原理
我们在启动一个iOS程序的时候，系统会调用创建项目时自动生成的 main.m 的文件。main.m文件如下所示：

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

其中 UIApplicationMain 函数内部帮我们开启了主线程的 RunLoop，UIApplicationMain 内部拥有一个无限循环的代码，只要程序不退出/崩溃，它就一直循环。上边的代码中主线程开启 RunLoop 的过程可以简单的理解为如下代码：

int main(int argc, char * argv[]) {        
    BOOL running = YES;
    do {
        // 执行各种任务，处理各种事件
        // ......
    } while (running);  // 判断是否需要退出
    return 0;
}

从上边可看出，程序一直在 do-while 循环中执行，所以 UIApplicationMain 函数一直没有返回，这就是为什么我们在运行程序之后程序不会马上退出，会保持持续运行状态。

4. RunLoop模型图

RunLoop模型图
从上图中可以看出，RunLoop 就是线程中的一个循环，RunLoop 会在循环中会不断检测，通过 Input sources（输入源）和 Timer sources（定时源）两种来源等待接受事件；然后对接受到的事件通知线程进行处理，并在没有事件的时候让线程进行休息。

RunLoop 相关类

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下面我们来了解一下Core Foundation框架下关于 RunLoop 的 5 个类，只有弄懂这几个类的含义，我们才能深入了解 RunLoop 的运行机制。

1. CFRunLoopRef：代表 RunLoop 的对象。
2. CFRunLoopModeRef：代表 RunLoop 的运行模式。
3. CFRunLoopSourceRef：就是 RunLoop 模型图中提到的输入源 / 事件源
4. CFRunLoopTimerRef：就是 RunLoop 模型图中提到的定时源
5. CFRunLoopObserverRef：观察者，能够监听 RunLoop 的状态改变

几种类的相互关系

RunLoop类关系
一个RunLoop对象（CFRunLoopRef）中包含若干个运行模式（CFRunLoopModeRef）。而每一个运行模式下又包含若干个输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef）。

• 每次 RunLoop 启动时，只能指定其中一个运行模式（CFRunLoopModeRef），这个运行模式（CFRunLoopModeRef）被称作当前运行模式（CurrentMode）。
• 如果需要切换运行模式（CFRunLoopModeRef），只能退出当前 Loop，再重新指定一个运行模式（CFRunLoopModeRef）进入。
• 这样做主要是为了分隔开不同组的输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef），让其互不影响 。

详细讲解下这五个类

1. CFRunLoopRef 类
   CFRunLoopRef 是 Core Foundation 框架下 RunLoop 对象类。我们可通过以下方式来获取 RunLoop 对象：

CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的 RunLoop 对象
CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的 RunLoop 对象

在Foundation 框架下获取 RunLoop 对象类的方法如下：

[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的 RunLoop 对象
[NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的 RunLoop 对象

2. CFRunLoopModeRef类
   RunLoop 的运行模式相关类，系统默认定义了多种运行模式（CFRunLoopModeRef），如下：

1. kCFRunLoopDefaultMode：App的默认运行模式，通常主线程是在这个运行模式下运行
2. UITrackingRunLoopMode：跟踪用户交互事件（用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他Mode影响）
3. UIInitializationRunLoopMode：在刚启动App时第进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用
4. GSEventReceiveRunLoopMode：接受系统内部事件，通常用不到
5. kCFRunLoopCommonModes：伪模式，不是一种真正的运行模式（后边会用到）

其中kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode、kCFRunLoopCommonModes是我们开发中需要用到的模式。

3. CFRunLoopTimerRef类
   CFRunLoopTimerRef是定时源（RunLoop模型图中提到过），理解为基于时间的触发器，基本上就是NSTimer（哈哈，这个理解就简单了吧）。

实例1：CFRunLoopModeRef和CFRunLoopTimerRef结合的使用用法，从而加深理解。

UITextView *textView = [UITextView new];
   textView.backgroundColor = [UIColor grayColor];
   textView.frame = CGRectMake(0, 0, 200, 200);
   textView.text = @"------";
   [self.view addSubview:textView];
   
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 target:self selector:@selector(runLoop) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode: NSDefaultRunLoopMode];
//1.NSDefaultRunLoopMode 
//2.UITrackingRunLoopMode
//3.NSRunLoopCommonModes

- (void)runLoop{
   NSLog(@"---runLoop");
}

NSDefaultRunLoopMode模式下运行程序，这时候我们发现如果我们不对模拟器进行任何操作的话，定时器会稳定的每隔2秒调用run方法打印。
但是当我们拖动textView滚动时，我们发现runLoop方法不打印了，也就是说NSTimer不工作了。而当我们松开鼠标的时候，NSTimer就又开始正常工作了。

原因分析：

• 当我们不做任何操作的时候，RunLoop处于NSDefaultRunLoopMode下。
• 而当我们拖动Text View的时候，RunLoop就结束NSDefaultRunLoopMode，切换到了UITrackingRunLoopMode模式下，这个模式下没有添加NSTimer，所以我们的NSTimer就不工作了。我们是在NSDefaultRunLoopMode模式下添加的定时器。
• 但当我们松开鼠标的时候，RunLoop就结束UITrackingRunLoopMode模式，又切换回NSDefaultRunLoopMode模式，所以NSTimer就又开始正常工作了。

我们将定时器运行模式改为UITrackingRunLoopMode，也就是将定时器添加到当前RunLoop的UITrackingRunLoopMode下，你就会发现定时器只会在拖动textView的模式下工作，而不做操作的时候定时器就不工作。

那么如何让两种模式下让NSTimer都能正常工作呢？这就用到了我们之前说过的伪模式（kCFRunLoopCommonModes），这其实不是一种真实的模式，而是一种标记模式，意思就是可以在打上Common Modes标记的模式（NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode都是被标记的）下运行。所以我们只要我们将NSTimer添加到当前RunLoop的kCFRunLoopCommonModes（Foundation框架下为NSRunLoopCommonModes）下，我们就可以让NSTimer在不做操作和拖动Text View两种情况下愉快的正常工作了。

既然讲到了NSTimer，这里顺便讲下NSTimer中的scheduledTimerWithTimeInterval方法和RunLoop的关系。添加下面的代码：

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 target:self selector:@selector(runLoop) userInfo:nil repeats:YES];

这句代码调用了scheduledTimer返回的定时器，NSTimer会自动被加入到了RunLoop的NSDefaultRunLoopMode模式下。这句代码相当于下面两句代码：

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 target:self selector:@selector(runLoop) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode: NSDefaultRunLoopMode];

4. CFRunLoopSourceRef类
   CFRunLoopSourceRef是事件源（RunLoop模型图中提到过），CFRunLoopSourceRef有两种分类方法。

• 第一种按照官方文档来分类（就像RunLoop模型图中那样）：
  （1）Port-Based Sources（基于端口）
  （2）Custom Input Sources（自定义）
  （3）Cocoa Perform Selector Sources
• 第二种按照函数调用栈来分类：
  （1）Source0 ：非基于Port
  （2）Source1：基于Port，通过内核和其他线程通信，接收、分发系统事件

这两种分类方式其实没有区别，只不过第一种是通过官方理论来分类，第二种是在实际应用中通过调用函数来分类。

实例2：大致来了解一下函数调用栈和Source

UIButton *runButton = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];
[runButton setBackgroundColor:[UIColor grayColor]];
[runButton setFrame:CGRectMake(100, 300, 60, 40)];
[runButton addTarget:self action:@selector(runButton) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];
[self.view addSubview:runButton];

按钮事件

然后运行程序，并点击按钮，可以看到如下图所示就是点击事件产生的函数调用栈。

函数调用栈

所以点击事件是这样来的：
首先程序启动，调用16行的main函数，main函数调用15行UIApplicationMain函数，然后一直往上调用函数，最终调用到0行的BtnClick函数，即点击函数。
同时我们可以看到11行中有Sources0，也就是说我们点击事件是属于Sources0函数的，点击事件就是在Sources0中处理的。
而至于Sources1，则是用来接收、分发系统事件，然后再分发到Sources0中处理的。

5. CFRunLoopObserverRef类
   CFRunLoopObserverRef是观察者，用来监听RunLoop的状态改变。
   CFRunLoopObserverRef可以监听的状态改变有以下几种：

/* Run Loop Observer Activities */
ypedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),               // 即将进入Loop：1
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),        // 即将处理Timer：2    
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),       // 即将处理Source：4
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),       // 即将进入休眠：32
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),        // 即将从休眠中唤醒：64
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),                // 即将从Loop中退出：128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU       // 监听全部状态改变  
};

下边我们通过代码来监听下RunLoop中的状态改变。

//创建观察者
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
    NSLog(@"监听到RunLoop发生改变---%zd",activity);
});
// 添加观察者到当前RunLoop中
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
// 释放observer，最后添加完需要释放掉
CFRelease(observer);

运行结果

2019-10-10 22:45:15.150192+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---64
2019-10-10 22:45:15.150451+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.150581+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.152054+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.152255+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.152444+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.152612+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.152789+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.153111+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.154198+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---32
2019-10-10 22:45:15.183145+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---64
2019-10-10 22:45:15.183324+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.183430+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.183999+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.184144+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.184318+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:45:15.184409+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:45:15.184683+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---32
2019-10-10 22:46:00.002539+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---64
2019-10-10 22:46:00.003478+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:46:00.004371+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:46:00.004579+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---32
2019-10-10 22:47:00.003513+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---64
2019-10-10 22:47:00.005028+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---2
2019-10-10 22:47:00.005334+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---4
2019-10-10 22:47:00.005555+0800 Text[1067:89155] 监听到RunLoop发生改变---32

可以看到RunLoop的状态在不断的改变，最终变成了状态 32，也就是即将进入睡眠状态，说明RunLoop之后就会进入睡眠状态。

RunLoop 原理

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运行逻辑图

这张图对于我们理解RunLoop来说太有帮助了，下边我们可以来说下官方文档给我们的RunLoop逻辑。
在每次运行开启RunLoop的时候，所在线程的RunLoop会自动处理之前未处理的事件，并且通知相关的观察者。
具体的顺序如下：

1. 通知观察者RunLoop已经启动。
2. 通知观察者即将要开始的定时器。
3. 通知观察者任何即将启动的非基于端口的源。
4. 启动任何准备好的非基于端口的源。
5. 如果基于端口的源准备好并处于等待状态，立即启动；并进入步骤9。
6. 通知观察者线程进入休眠状态。
7. 将线程置于休眠知道任一下面的事件发生。
   （1）某一事件到达基于端口的源。
   （2）定时器启动。
   （3）RunLoop设置的时间已经超时。
   （4）RunLoop被显示唤醒。
8. 通知观察者线程将被唤醒。
9. 处理未处理的事件。
   （1）如果用户定义的定时器启动，处理定时器事件并重启RunLoop。进入步骤2。
   （2）如果输入源启动，传递相应的消息。
   （3）如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时，重启RunLoop。进入步骤2。
10. 通知观察者RunLoop结束。

RunLoop实战应用

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1. NSTimer的使用
参考：实例1：CFRunLoopModeRef和CFRunLoopTimerRef结合的使用用法，从而加深理解

2. UImageView推迟显示
当界面中含有UITableView，而且每个UITableViewCell里边都有图片。这时候当我们滚动UITableView的时候，如果有一堆的图片需要显示，那么可能会出现卡顿的现象。
怎么解决这个问题呢？
这时候，我们应该推迟图片的显示，也就是ImageView推迟显示图片。有两种方法：

(1) 监听UIScrollView的滚动
因为UITableView继承自UIScrollView，所以我们可以通过监听UIScrollView的滚动，实现UIScrollView相关delegate即可。

(2) 利用PerformSelector设置当前线程的RunLoop的运行模式

[self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"tupian"] afterDelay:4.0 inModes:NSDefaultRunLoopMode];

3. 开启后台常驻线程（很常用）
我们在开发应用程序的过程中，如果后台操作特别频繁，经常会在子线程做一些耗时操作（下载文件、后台播放音乐等），我们最好能让这条线程永远常驻内存。这里RunLoop就像司机，线程就像车，没有司机的车是死的，迟早要完。

实现：添加一条用于常驻内存的强引用的子线程，在该线程的RunLoop下添加一个Sources，开启RunLoop。
(1) 添加一条强引用的thread线程属性，如下图：

NSThread

(2) 在viewDidLoad中创建线程self.thread，使线程启动并执行runLoop方法,如下：

// 创建线程，并调用run1方法执行任务
self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(runLoop) object:nil];
[self.thread start];

- (void) runLoop{
  // 这里写任务
  NSLog(@"----runLoop----%@",[NSThread currentThread]);
  // 给这个线程的当前runloop添加一个NSPort 让RunLoop跑起来，之后self.thread就变成了常驻线程，可随时添加任务，并交于RunLoop处理 
  [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
  [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    
  // 测试是否开启了RunLoop，如果开启RunLoop，则来不了这里，因为RunLoop开启了循环。
  NSLog(@"-------------");
}

- (void)run; 
- (void)runUntilDate:(NSDate *)limitDate;
- (BOOL)runMode:(NSRunLoopMode)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate;

//第一个是将接收器置于永久循环中，在此期间处理来自所有附加输入源的数据。其实就是开启Runloop
//第二个是运行循环直到指定的日期，在此期间，它处理所有附加的输入源的数据。
//第三个是运行循环一次，阻塞在指定模式下的输入，直到给定的日期到达

(3) 运行之后发现打印了**----runLoop----，而开启RunLoop ------- 则未打印，因为RunLoop开启了循环。这时，我们就开启了一条常驻线程，下边我们来试着添加其他任务，除了之前创建的时候调用了runLoop方法，我们另外在点击的时候调用runLoop2方法。

那么，我们在touchesBegan中调用PerformSelector，从而实现在点击屏幕的时候调用runLoop方法，具体代码如下：

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{   
    // 利用performSelector，在self.thread的线程中调用run2方法执行任务
    [self performSelector:@selector(runLoop2) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}

- (void) runLoop2
{
    for (int i = 10; i < 5000; i ++) {
        @autoreleasepool{
            NSData *data = UIImagePNGRepresentation([UIImage imageNamed:@"imagename"]);
        }
    }
}

经过运行测试，除了之前打印的 ----runLoop----，每当我们点击屏幕，都能调用 ----runLoop2----。这样我们就实现了常驻线程的需求。