iOS 開發runLoop 機制詳解
NSRunLoop機制
對於iOS開發，runLoop機制還是很有必要了解一下的，最近在做一個廣告圖的功能正好需要了解下runtime機制問題，在查看了官方文檔API以及論壇貼吧博客各位大牛的文章後，整理下關於我自己的理解和總結.
首先說介紹下NSRunLoop
OSX/iOS 系統中，提供了兩個這樣的對象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。
CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內的，它提供了純 C 函數的 API，所有這些 API 都是線程安全的。
NSRunLoop 是基於 CFRunLoopRef 的封裝，提供了面向對象的 API，但是這些 API 不是線程安全的。
NSRunLoop 與線程的關系
其實runLoop就是一個do … while()函數，每個runLoop對應一個線程他們是一一對應的關系，關系保存在一個全局的Dictionary裡邊，線程剛創建時沒有RunLoop,如果不主動獲取，是不會有的，RunLoop的創建發生在第一次獲取時，RunLoop的銷毀發生在線程結束，只能在一個線程的內部獲取它的RunLoop(主線程除外)主線程默認有個RunLoop.Thread包含一個CFRunLoop，一個CFRunLoop包含一種CFRunLoopMode，mode包含CFRunLoopSource，CFRunLoopTimer和CFRunLoopObserver。
RunLoop只能運行在一種mode下，如果要換mode當前的loop也需要停下重啟成新的。利用這個機制，ScrollView過程中NSDefaultRunLoopMode的mode會切換UITrackingRunLoopMode來保證ScrollView的流暢滑動不受只能在NSDefaultRunLoopMode時處理的事件影響滑動。同時mode還是可定制的。
NSDefaultRunLoopMode：默認，空閒狀態
UITrackingRunLoopMode：ScrollView滑動時
UIInitializationRunLoopMode：啟動時
NSRunLoopCommonModes：Mode集合 Timer計時會被scrollView的滑動影響的問題可以通過將timer添加到NSRunLoopCommonModes來解決
//然後再添加到NSRunLoopCommonModes裡
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0
target:self
selector:@selector(timerTick:)
userInfo:nil
repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
static CFSpinLock_t loopsLock;
/// 獲取一個 pthread 對應的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
OSSpinLockLock(&loopsLock);
if (!loopsDic) {
// 第一次進入時，初始化全局Dic，並先為主線程創建一個 RunLoop。
loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
}
/// 直接從 Dictionary 裡獲取。
CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
if (!loop) {
/// 取不到時，創建一個
loop = _CFRunLoopCreate();
CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
/// 注冊一個回調，當線程銷毀時，順便也銷毀其對應的 RunLoop。
_CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
}
OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
return loop;
}
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}
介紹完線程和RunLoop的關系後，主要看下RunLoop和RunLoopModel,
RunLooprunLoop 在CoreFoundation對外一共有五大類最為對外的接口：
RunLoop
CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef
1.其中 CFRunLoopModeRef 類並沒有對外暴露，只是通過 CFRunLoopRef 的接口進行了封裝
![這裡寫圖片描述](https://www.ios5.online/ios/UploadFiles_8070/201703/2017030817364255.png "\")
一個 RunLoZ喎?/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcCCw/LqsyPS4ybj2IE1vZGWjrMO/uPYgTW9kZSDT1rD8uqzI9LjJuPYgU291cmNlL1RpbWVyL09ic2VydmVyoaPDv7TOtffTwyBSdW5Mb29wILXE1ve6r8r9yrGjrNa7xNzWuLaoxuTW0NK7uPYgTW9kZaOs1eK49k1vZGWxu7PG1/cgQ3VycmVudE1vZGWho8jnufvQ6NKqx9C7uyBNb2Rlo6zWu8Tczcuz9iBMb29wo6zU2dbY0MLWuLao0ru49iBNb2RlIL34yOuho9Xi0fnX9tb30qrKx86qwcu31rj0v6qyu82s1+m1xCBTb3VyY2UvVGltZXIvT2JzZXJ2ZXKjrMjDxuS7pbK707DP7KGjPC9wPg0KPGg0IGlkPQ=="2-cfrunloopsourceref">2. CFRunLoopSourceRef
是事件產生的地方，Source包含了兩個部分：Source0 和 Source1。
source0：處理如UIEvent，CFSocket這樣的事件
source1：Mach port驅動，CFMachport，CFMessagePort
Source0 只包含了一個回調（函數指針），它並不能主動觸發事件。使用時，你需要先調用 CFRunLoopSourceSignal(source)，將這個 Source 標記為待處理，然後手動調用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop，讓其處理這個事件。
Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調（函數指針），被用於和通過內核和其他 mach_port 相互發送消息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程，其原理在下面會講到。
3. CFRunLoopTimerRef
NSTimer是對RunLoopTimer的封裝
是基於時間的觸發器，它和 NSTimer 是toll-free bridge 的。其包含一個時間長度和一個回調（函數指針）。當其加入到 RunLoop 時，RunLoop會注冊對應的時間點，當時間點到時，RunLoop會被喚醒以執行那個回調
4. CFRunLoopObserverRef
Cocoa框架中很多機制比如CAAnimation等都是由RunLoopObserver觸發的。observer到當前狀態的變化進行通知
觀察者，每個 Ovserver 都包含了一個回調（函數指針），當 RunLoop 的狀態發生變化時，觀察者就能通過回調接受到這個變化。可以觀測的時間點有以下幾個：
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即將進入Loop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將進入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), // 剛從休眠中喚醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7), // 即將退出Loop
};
RunLoopModel
CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結構大致如下：
struct __CFRunLoopMode {
CFStringRef _name; // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
CFMutableSetRef _sources0; // Set
CFMutableSetRef _sources1; // Set
CFMutableArrayRef _observers; // Array
CFMutableArrayRef _timers; // Array
...
};
struct __CFRunLoop {
CFMutableSetRef _commonModes; // Set
CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set
CFRunLoopModeRef _currentMode; // Current Runloop Mode
CFMutableSetRef _modes; // Set
...
};
這裡有個概念叫 “CommonModes”：一個 Mode 可以將自己標記為”Common”屬性（通過將其 ModeName 添加到 RunLoop 的 “commonModes” 中）。RunLoop 會自動將 _commonModeItems 加入到具有 “Common” 標記的所有Mode裡。
應用場景舉例：主線程的 RunLoop 裡有兩個預置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。這兩個 Mode 都已經被標記為”Common”屬性。DefaultMode 是 App 平時所處的狀態，TrackingRunLoopMode 是追蹤 ScrollView 滑動時的狀態。當你創建一個 Timer 並加到 DefaultMode 時，Timer 會得到重復回調，但此時滑動一個TableView時，RunLoop 會將 mode 切換為 TrackingRunLoopMode，這時 Timer 就不會被回調，並且也不會影響到滑動操作。
有時你需要一個 Timer，在兩個 Mode 中都能得到回調，一種辦法就是將這個 Timer 分別加入這兩個 Mode。還有一種方式，就是將 Timer 加入到頂層的 RunLoop 的 “commonModeItems” 中。”commonModeItems” 被 RunLoop 自動更新到所有具有”Common”屬性的 Mode 裡去。
RunLoop底層實現
從上面代碼可以看到，RunLoop的核心是基於 mach port 的，其進入休眠時調用的函數是 mach_msg()。為了解釋這幾個概念，下面稍微介紹一下OSX/iOS的系統架構。
![這裡寫圖片描述](https://www.ios5.online/ios/UploadFiles_8070/201703/2017030817364344.png "\")
蘋果官方將整個系統大致劃分為上述4個層次：
應用層包括用戶能接觸到的圖形應用，例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard等。
應用框架層即開發人員接觸到的 Cocoa 等框架。
核心框架層包括各種核心框架、OpenGL 等內容。
Darwin 即操作系統的核心，包括系統內核、驅動、Shell 等內容，這一層是開源的，其所有源碼都可以在opensource.apple.com裡找到。
CFRunLoop {
current mode = kCFRunLoopDefaultMode
common modes = {
UITrackingRunLoopMode
kCFRunLoopDefaultMode
}
common mode items = {
// source0 (manual)
CFRunLoopSource {order =-1, {
callout = _UIApplicationHandleEventQueue}}
CFRunLoopSource {order =-1, {
callout = PurpleEventSignalCallback }}
CFRunLoopSource {order = 0, {
callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
// source1 (mach port)
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 17923}}
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 12039}}
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 16647}}
CFRunLoopSource {order =-1, {
callout = PurpleEventCallback}}
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 2407,
callout = _ZL20notify_port_callbackP12__CFMachPortPvlS1_}}
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1c03,
callout = __IOHIDEventSystemClientAvailabilityCallback}}
CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1b03,
callout = __IOHIDEventSystemClientQueueCallback}}
CFRunLoopSource {order = 1, {port = 1903,
callout = __IOMIGMachPortPortCallback}}
// Ovserver
CFRunLoopObserver {order = -2147483647, activities = 0x1, // Entry
callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
CFRunLoopObserver {order = 0, activities = 0x20, // BeforeWaiting
callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver}
CFRunLoopObserver {order = 1999000, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
callout = _afterCACommitHandler}
CFRunLoopObserver {order = 2000000, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
CFRunLoopObserver {order = 2147483647, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
// Timer
CFRunLoopTimer {firing = No, interval = 3.1536e+09, tolerance = 0,
next fire date = 453098071 (-4421.76019 @ 96223387169499),
callout = _ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv (QuartzCore.framework)}
},
modes ＝ {
CFRunLoopMode {
sources0 = { /* same as 'common mode items' */ },
sources1 = { /* same as 'common mode items' */ },
observers = { /* same as 'common mode items' */ },
timers = { /* same as 'common mode items' */ },
},
CFRunLoopMode {
sources0 = { /* same as 'common mode items' */ },
sources1 = { /* same as 'common mode items' */ },
observers = { /* same as 'common mode items' */ },
timers = { /* same as 'common mode items' */ },
},
CFRunLoopMode {
sources0 = {
CFRunLoopSource {order = 0, {
callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
},
sources1 = (null),
observers = {
CFRunLoopObserver >{activities = 0xa0, order = 2000000,
callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
)},
timers = (null),
},
CFRunLoopMode { //這是一個占位的 Mode，沒有實際作用。
sources0 = {
CFRunLoopSource {order = -1, {
callout = PurpleEventSignalCallback}}
},
sources1 = {
CFRunLoopSource {order = -1, {
callout = PurpleEventCallback}}
},
observers = (null),
timers = (null),
},
CFRunLoopMode {
sources0 = (null),
sources1 = (null),
observers = (null),
timers = (null),
}
}
}
這裡能看到蘋果所有的Model
事件響應
蘋果注冊了一個 Source1 (基於 mach port 的) 用來接收系統事件，其回調函數為 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。
當一個硬件事件(觸摸/鎖屏/搖晃等)發生後，首先由 IOKit.framework 生成一個 IOHIDEvent 事件並由 SpringBoard 接收。這個過程的詳細情況可以參考 這裡 。SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等)，觸摸，加速，接近傳感器等幾種 Event，隨後用 mach port 轉發給需要的App進程。隨後蘋果注冊的那個 Source1 就會觸發回調，並調用 _UIApplicationHandleEventQueue() 進行應用內部的分發。
_UIApplicationHandleEventQueue() 會把 IOHIDEvent 處理並包裝成 UIEvent 進行處理或分發，其中包括識別 UIGesture/處理屏幕旋轉/發送給 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 點擊、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在這個回調中完成的。
手勢識別
當上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 識別了一個手勢時，其首先會調用 Cancel 將當前的 touchesBegin/Move/End 系列回調打斷。隨後系統將對應的 UIGestureRecognizer 標記為待處理。
蘋果注冊了一個 Observer 監測 BeforeWaiting (Loop即將進入休眠) 事件，這個Observer的回調函數是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其內部會獲取所有剛被標記為待處理的 GestureRecognizer，並執行GestureRecognizer的回調。
當有 UIGestureRecognizer 的變化(創建/銷毀/狀態改變)時，這個回調都會進行相應處理。
界面更新
當在操作 UI 時，比如改變了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的層次時，或者手動調用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法後，這個 UIView/CALayer 就被標記為待處理，並被提交到一個全局的容器去。
蘋果注冊了一個 Observer 監聽 BeforeWaiting(即將進入休眠) 和 Exit (即將退出Loop) 事件，回調去執行一個很長的函數：_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。這個函數裡會遍歷所有待處理的 UIView/CAlayer 以執行實際的繪制和調整，並更新 UI 界面。
NSRunLoop的應用
AFNetworking 創建一個常駐服務線程去處理數據返回
使用NSOperation+NSURLConnection並發模型都會面臨NSURLConnection下載完成前線程退出導致NSOperation對象接收不到回調的問題。
AFNetWorking解決這個問題的方法是按照官方的
guid上寫的NSURLConnection的delegate方法需要在connection發起的線程runloop中調用，於是AFNetWorking直接借鑒了Apple自己的一個IOS/samplecode/MVCNetworking/Introduction/Intro.html" target="_blank">Demo的實現方法單獨起一個global thread，內置一個runloop，所有的connection都由這個runloop發起，回調也是它接收，不占用主線程，也不耗CPU資源。
TableView中實現平滑滾動延遲加載圖片
利用CFRunLoopMode的特性，可以將圖片的加載放到NSDefaultRunLoopMode的mode裡，這樣在滾動UITrackingRunLoopMode這個mode時不會被加載而影響到。
UIImage *downloadedImage = ...;
[self.avatarImageView performSelector:@selector(setImage:)
withObject:downloadedImage
afterDelay:0
inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
使用RunLoop阻塞線程並且同時能夠處理其他source事件
CFRunLoopRunInMode(kCFRunLoopDefaultMode,second, NO);
CFRunLoopStop(CFRunLoopGetMain());
/// 用DefaultMode啟動
void CFRunLoopRun(void) {
CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
/// 用指定的Mode啟動，允許設置RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
/// RunLoop的實現
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
/// 首先根據modeName找到對應mode
CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
/// 如果mode裡沒有source/timer/observer, 直接返回。
if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
/// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進入 loop。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
/// 內部函數，進入loop
__CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
int retVal = 0;
do {
/// 2. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Timer 回調。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
/// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回調。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
/// 執行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
/// 4. RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回調。
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
/// 執行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
/// 5. 如果有 Source1 (基於port) 處於 ready 狀態，直接處理這個 Source1 然後跳轉去處理消息。
if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
if (hasMsg) goto handle_msg;
}
/// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)。
if (!sourceHandledThisLoop) {
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
}
/// 7. 調用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。線程將進入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒。
/// ? 一個基於 port 的Source 的事件。
/// ? 一個 Timer 到時間了
/// ? RunLoop 自身的超時時間到了
/// ? 被其他什麼調用者手動喚醒
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
}
/// 8. 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
/// 收到消息，處理消息。
handle_msg:
/// 9.1 如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回調。
if (msg_is_timer) {
__CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
}
/// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，執行block。
else if (msg_is_dispatch) {
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
}
/// 9.3 如果一個 Source1 (基於port) 發出事件了，處理這個事件
else {
CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
if (sourceHandledThisLoop) {
mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
}
}
/// 執行加入到Loop的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
/// 進入loop時參數說處理完事件就返回。
retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
} else if (timeout) {
/// 超出傳入參數標記的超時時間了
retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
} else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
/// 被外部調用者強制停止了
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
/// source/timer/observer一個都沒有了
retVal = kCFRunLoopRunFinished;
}
/// 如果沒超時，mode裡沒空，loop也沒被停止，那繼續loop。
} while (retVal == 0);
}
/// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出。
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}
