iOS之RunLoop底层原理探究

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RunLoop顾名思义也就是运行循环，在程序运行过程中循环执行某些任务。RunLoop的应用范畴包括以下几个方面：

  • 定时器(Timer)、PerformSelector
  • GCD Async Main Queue
  • 事件响应、手势识别、界面刷新
  • 网络请求
  • AutoreleasePool

如果没有RunLoop的话，程序执行完之后就会立即退出。而使用RunLoop后，程序执行完成后并不会马上退出，而是保持运行状态。比如iOS项目中的main函数中UIApplicationMain函数内部就实现了RunLoop。

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

UIApplicationMain内部逻辑的伪代码大致如下：

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

综上所述，RunLoop的基本作用是：

  • 保持程序的持续运行；
  • 处理App中的各种事件（比如触摸事件、定时器事件等）；
  • 节省CPU资源，提高程序性能：有待执行任务时执行任务，不执行任务时休眠。

RunLoop对象

iOS中有2套API来访问和使用RunLoop对象。其中一套基于OC的Foundation:NSRunLoop，另一套是基于C语言的Core Foundation:CFRunLoopRef。其中的NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象。NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装(这也是使用OC方式和C语言方式打印出来的主线程不同的原因，主线程真正的地址是使用C语言打印出来的地址)。CFRunLoopRef是开源的。CFRunLoopRef下载链接

获取当前线程的RunLoop对象：

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//OC方法，获取当前线程的RunLoop对象
NSRunLoop *runloop = [NSRunLoop currentRunLoop];
//C语言
CFRunLoopRef runloop2 = CFRunLoopGetCurrent();

获取主线程的RunLoop对象：

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NSRunLoop *runloop = [NSRunLoop mainRunLoop];

RunLoop与线程的关系

  • 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会在第一次获取该线程时创建与之对应的RunLoop对象。
  • RunLoop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。

RunLoop底层实现

Core Foundation中关于RunLoop的5个类：

  • CFRunLoopRef
  • CFRunLoopModeRef
  • CFRunLoopSourceRef
  • CFRunLoopTimerRef
  • CFRunLoopObserverRef

RunLoop在源码中的定义：

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struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;			/* locked for accessing mode list */
    __CFPort _wakeUpPort;			// used for CFRunLoopWakeUp 
    Boolean _unused;
    volatile _per_run_data *_perRunData;              // reset for runs of the run loop
    pthread_t _pthread;//线程对象
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
    struct _block_item *_blocks_head;
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFAbsoluteTime _runTime;
    CFAbsoluteTime _sleepTime;
    CFTypeRef _counterpart;
};

我们将主要的成员变量挑选出来，简化一下：

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struct __CFRunLoop {
    pthread_t _pthread;//线程对象
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
};
  • CFMutableSetRef _modes：_modes是一个类似数组的集合，但是其所储存的数据类型是CFRunLoopModeRef,而且是无序的。
  • CFRunLoopModeRef _currentMode：当前模式。

CFRunLoopModeRef的定义如下：

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typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;

那么__CFRunLoopMode又是怎么定义的呢？

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struct __CFRunLoopMode {
	//部分成员变量
    CFStringRef _name;//mode名称
    CFMutableSetRef _sources0;
    CFMutableSetRef _sources1;
    CFMutableArrayRef _observers;
    CFMutableArrayRef _timers;
};
  • CFMutableSetRef _sources0 和 CFMutableSetRef _sources1：这两个集合中存储的是 CFRunLoopSourceRef类型的数据。
  • CFMutableArrayRef _observers：该集合中存储的是CFRunLoopObserverRef类型的数据。
  • CFMutableArrayRef _timers：存储的是CFRunLoopTimerRef类型的数据。

RunLoop相关的类之间的逻辑关系.png

综上所述可知，开头列出的5个类它们之间的关系是：CFRunLoopRef(__CFRunLoopMode)中存储着CFRunLoopModeRef类型的数据，CFRunLoopModeRef中存储着CFRunLoopSourceRef、 CFRunLoopTimerRef、CFRunLoopObserverRef类型的数据。

CFRunLoopModeRef

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的一个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，不同Mode中的Source0/Source1/Timer/Observer彼此分隔，互不影响。如果Mode里没有任何Source0/Source1/Timer/Observer，RunLoop会立马退出该Mode。

CFRunLoopModeRef的5种Mode

CFRunLoopModeRef中一共有5种Mode，分别是：

  • 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。

  • kCFRunLoopCommonModes：通用模式，一旦设置此模式表示同时监听kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode这两种模式。其实kCFRunLoopMode并不是一种真的模式，它只是一个标记。将定时器的RunLoop模式设置为kCFRunLoopCommonModes意味着定时器(NSTimer)可以在“CFMutableSetRef commonModes数组中存放的模式”下运行，而且kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode都存放在CFMutableSetRef commonModes数组中。

  • UIInitializationRunLoopMode：在刚启动 App 时进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用。

  • GSEventReceiveRunLoopMode：用来接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。

CFRunLoopModeRef的5种Mode中最常见常用的模式是kCFRunLoopDefaultMode(NSDefaultRunLoopMode)和UITrackingRunLoopMode这2种。

添加Observer监听RunLoop的所有状态

RunLoop的所有状态包括：

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/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),	//即将进入RunLoop
    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),//即将从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),//即将推出RunLoop
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

添加Observer监听RunLoop的所有状态，代码如下：

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CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
            NSLog(@"kCFRunLoopEntry");
            break;
        case kCFRunLoopBeforeTimers:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeTimers");
            break;
            
        case kCFRunLoopBeforeSources:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeSources");
            break;
            
        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeWaiting");
            break;
        case kCFRunLoopAfterWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopAfterWaiting");
            break;
        case kCFRunLoopExit:
            NSLog(@"kCFRunLoopExit");
            break;
            
        default:
            break;
    }
    });
    //添加Observer到RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    //释放observer
    CFRelease(observer);

RunLoop的运行逻辑

RunLoop的大体上的运行逻辑其实就是循环处理某种模式下的Source0、Source1、Timers、Observers。那么Source0、Source1、Timers、Observers具体表示什么呢？

  • Source0:

  (1)触摸事件处理;

  (2)performSelector:onThread:方法

  • Source1:

  (1)基于Port的线程间通信;

  (2)系统事件捕捉

  • Timers：

  (1)NSTimers

  (2)performSelector:WithObject:afterDelay:

  • Observers:

  (1)用于监听RunLoop的状态

  (2)UI刷新（BeforeWaiting在休眠之前刷新UI）

  (3)Autoreleasepool(BeforeWaiting)

RunLoop具体的运行逻辑是这样的：

RunLoop的运行逻辑.png

  • (1)通知Observers：进入RunLoop；
  • (2)通知Observers：即将处理Timers；
  • (3)通知Observers：即将处理Sources；
  • (4)处理Blocks（比如通过CFRunLoopPerformBlock函数添加的Block）；
  • (5)处理Source0（可能会再次处理Blocks）；
  • (6)如果存在Source1，就跳转到第8步，处理Source1；
  • (7)通知Observers：开始休眠，不再占用CPU资源（等待消息唤醒）；
  • (8)通知Observers：结束休眠（被某个消息唤醒）；

  ✅处理Source1

  ✅处理Timer

  ✅处理GCD Async To Main Queue

  • (9)处理Blocks；

  • (10)根据前面的执行结果，决定如何操作：有可能不退出当前的RunLoop，而是回到第2步继续执行；也有可能结束当前RunLoop，切换到其他的模式。如果切换到其他模式的话，则会执行(11)步；

  • (11)通知Observers：退出RunLoop。

RunLoop休眠的实现原理

RunLoop休眠的实现原理.png

RunLoop休眠(线程阻塞)的实现原理：平时执行应用层面的代码时处于用户态，当在用户态调用mach_msg()函数时会自动转化到内核态,并调用内核态的mach_msg()函数，此时如果没有消息需要处理就让线程休眠，如果有消息需要处理就唤醒线程，回归到用户态调用应用层面的API去处理消息。

RunLoop在实际开发中的应用

  • (1)控制线程生命周期（线程保活）

线程保活的应用场景：频繁执行一个任务或者多个串行（非并发）任务，可以采用线程保活的方式。线程保活的方式比传统的“创建线程-销毁线程-再创建线程-再销毁…”更节省CPU资源且更高效。比如AFNetworking中后台网络请求就使用了线程保活这种技术。

  • (2)解决NSTimer在滑动时停止工作(失效)的问题

  NSTimer在滑动时失效的原因是NSTimer默认是工作在NSDefaultRunLoopMode模式下，而当我们滑动时，RunLoop会退出NSDefaultRunLoopMode模式，并进入UITrackingRunLoopMode模式，所有NSTimer失效。

  • (3)监控应用卡顿
  • (4)性能优化

RunLoop总结

1.讲讲RunLoop，项目中用过吗？

  • 控制线程生命周期（线程保活）
  • 解决NSTimer在滑动时停止工作(失效)的问题

2.RunLoop内部实现逻辑是怎样的？

答：参照RunLoop具体的运行逻辑示意图

3.RunLoop和线程的关系是怎样的？

  • 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会在第一次获取该线程时创建与之对应的RunLoop对象。
  • RunLoop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。

4.timer和RunLoop是怎样的关系？

  • 从底层数据结构来看，RunLoop的CFRunLoop结构体中存储着 CFMutableSetRef _modes,_modes是一个类似数组的集合，其所储存的数据类型是CFRunLoopModeRef, CFRunLoopModeRef结构体中存放着CFMutableArrayRef _timers。此外，如果timer被设置为 kCFRunLoopCommonModes模式，那么timer也将被存放在 CFRunLoop结构体中的 CFMutableSetRef _commonModeItems数组中。
  • 从RunLoop的运行逻辑来讲，timer会通知Observers结束休眠，唤醒线程来处理timer消息。

5.程序中添加每3秒响应一次的NSTimer，当拖动tableView时，timer可能无法响应要怎么解决？

NSTimer在滑动时失效的原因是NSTimer默认是工作在NSDefaultRunLoopMode模式下，而当我们滑动时，RunLoop会退出NSDefaultRunLoopMode模式，并进入UITrackingRunLoopMode模式，所有NSTimer失效。

【注意】[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval: repeats:block:]方法会自动将定时器添加到主线程的NSDefaultRunLoopMode模式下，如果要自定义RunLoop模式的话，可以使用timerWithTimeInterval方法创建定时器对象，并将定时器添加到当前线程的NSRunLoopCommonModes模式下(实际上是将timer定时器添加到了NSRunLoopCommonModes 模式下的CFMutableSetRef _commonModeItems数组中)，这样就能解决timer失效的问题。代码如下：

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NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:self.completionDelay target:self selector:@selector(completionDelayTimerFired) userInfo:nil repeats:YES];

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

6.RunLoop是怎么响应用户操作的，具体流程是什么样的？

当用户点击屏幕时，RunLoop内部的Source1会捕捉到该触屏事件，并将该事件包装成事件队列eventQueue交给Source0中进行处理。

7.说说RunLoop的几种状态

kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),   //即将进入RunLoop
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),//即将从休眠中唤醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7),//即将推出RunLoop

8.RunLoop的mode作用是什么？

RunLoop常见的mode有2种：kCFRunLoopDefaultMode(NSDefaultRunLoopMode)和UITrackingRunLoopMode。kCFRunLoopDefaultMode是默认模式，通常主线程是在这个模式下运行；UITrackingRunLoopMode用于ScrollView追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他mode影响。

mode的作用是将不同模式下的Source0/Source1/Timer/Observer隔离开来，互不影响，这样就提高了执行效率和滑动流畅性。