RunLoop 是 iOS 和 OS X 開發中非常基礎的一個概念,這篇文章將從 CFRunLoop 的源碼入手,介紹 RunLoop 的概念以及底層實現原理。之後會介紹一下在 iOS 中,蘋果是如何利用 RunLoop 實現自動釋放池、延遲回調、觸摸事件、屏幕刷新等功能的。
目錄
RunLoop 的概念
RunLoop 與線程的關系
RunLoop 對外的接口
RunLoop 的 Mode
RunLoop 的內部邏輯
RunLoop 的底層實現
蘋果用 RunLoop 實現的功能
AutoreleasePool
事件響應
手勢識別
界面更新
定時器
PerformSelecter
關於GCD
關於網絡請求
RunLoop 的實際應用舉例
- AFNetworking
- AsyncDisplayKit
RunLoop 的概念
一般來講,一個線程一次只能執行一個任務,執行完成後線程就會退出。如果我們需要一個機制,讓線程能隨時處理事件但並不退出,通常的代碼邏輯是這樣的:
functionloop(){ initialize(); do{ varmessage=get_next_message(); process_message(message); }while(message!=quit); }
這種模型通常被稱作Event Loop。 Event Loop 在很多系統和框架裡都有實現,比如 Node.js 的事件處理,比如 Windows 程序的消息循環,再比如 OSX/iOS 裡的 RunLoop。實現這種模型的關鍵點在於:如何管理事件/消息,如何讓線程在沒有處理消息時休眠以避免資源占用、在有消息到來時立刻被喚醒。
所以,RunLoop 實際上就是一個對象,這個對象管理了其需要處理的事件和消息,並提供了一個入口函數來執行上面 Event Loop 的邏輯。線程執行了這個函數後,就會一直處於這個函數內部 "接受消息->等待->處理" 的循環中,直到這個循環結束(比如傳入 quit 的消息),函數返回。
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。
CFRunLoopRef 的代碼是開源的,你可以在這裡http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz下載到整個 CoreFoundation 的源碼。為了方便跟蹤和查看,你可以新建一個 Xcode 工程,把這堆源碼拖進去看。
RunLoop 與線程的關系
首先,iOS 開發中能遇到兩個線程對象: pthread_t 和 NSThread。過去蘋果有份文檔標明了 NSThread 只是 pthread_t 的封裝,但那份文檔已經失效了,現在它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread。蘋果並沒有提供這兩個對象相互轉換的接口,但不管怎麼樣,可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應的。比如,你可以通過 pthread_main_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主線程;也可以通過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當前線程。CFRunLoop 是基於 pthread 來管理的。
蘋果不允許直接創建 RunLoop,它只提供了兩個自動獲取的函數:CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函數內部的邏輯大概是下面這樣:
///全局的Dictionary,key是pthread_t,value是CFRunLoopRef staticCFMutableDictionaryRefloopsDic; ///訪問loopsDic時的鎖 staticCFSpinLock_tloopsLock; ///獲取一個pthread對應的RunLoop。 CFRunLoopRef_CFRunLoopGet(pthread_tthread){ 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(); CFRunLoopRefmainLoop=_CFRunLoopCreate(); CFDictionarySetValue(loopsDic,pthread_main_thread_np(),mainLoop); } ///直接從Dictionary裡獲取。 CFRunLoopRefloop=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); returnloop; } CFRunLoopRefCFRunLoopGetMain(){ return_CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np()); } CFRunLoopRefCFRunLoopGetCurrent(){ return_CFRunLoopGet(pthread_self()); }
從上面的代碼可以看出,線程和 RunLoop 之間是一一對應的,其關系是保存在一個全局的 Dictionary 裡。線程剛創建時並沒有 RunLoop,如果你不主動獲取,那它一直都不會有。RunLoop 的創建是發生在第一次獲取時,RunLoop 的銷毀是發生在線程結束時。你只能在一個線程的內部獲取其 RunLoop(主線程除外)。
RunLoop 對外的接口
在 CoreFoundation 裡面關於 RunLoop 有5個類:
CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
其中 CFRunLoopModeRef 類並沒有對外暴露,只是通過 CFRunLoopRef 的接口進行了封裝。他們的關系如下:
一個 RunLoop 包含若干個 Mode,每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次調用 RunLoop 的主函數時,只能指定其中一個 Mode,這個Mode被稱作 CurrentMode。如果需要切換 Mode,只能退出 Loop,再重新指定一個 Mode 進入。這樣做主要是為了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer,讓其互不影響。
CFRunLoopSourceRef是事件產生的地方。Source有兩個版本:Source0 和 Source1。
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。
CFRunLoopTimerRef是基於時間的觸發器,它和 NSTimer 是toll-free bridged 的,可以混用。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。
CFRunLoopObserverRef是觀察者,每個 Observer 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:
typedefCF_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 };
上面的 Source/Timer/Observer 被統稱為 mode item,一個 item 可以被同時加入多個 mode。但一個 item 被重復加入同一個 mode 時是不會有效果的。如果一個 mode 中一個 item 都沒有,則 RunLoop 會直接退出,不進入循環。
RunLoop 的 Mode
CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結構大致如下:
struct__CFRunLoopMode{ CFStringRef_name;//ModeName,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;//CurrentRunloopMode 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)。每當 RunLoop 的內容發生變化時,RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 裡的 Source/Observer/Timer 同步到具有 "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。
CFRunLoop對外暴露的管理 Mode 接口只有下面2個:
CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRefrunloop,CFStringRefmodeName); CFRunLoopRunInMode(CFStringRefmodeName,...);
Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面幾個:
CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopSourceRefsource,CFStringRefmodeName); CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopObserverRefobserver,CFStringRefmodeName); CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopTimerReftimer,CFStringRefmode); CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopSourceRefsource,CFStringRefmodeName); CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopObserverRefobserver,CFStringRefmodeName); CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopTimerReftimer,CFStringRefmode);
你只能通過 mode name 來操作內部的 mode,當你傳入一個新的 mode name 但 RunLoop 內部沒有對應 mode 時,RunLoop會自動幫你創建對應的 CFRunLoopModeRef。對於一個 RunLoop 來說,其內部的 mode 只能增加不能刪除。
蘋果公開提供的 Mode 有兩個:kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode,你可以用這兩個 Mode Name 來操作其對應的 Mode。
同時蘋果還提供了一個操作 Common 標記的字符串:kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes),你可以用這個字符串來操作 Common Items,或標記一個 Mode 為 "Common"。使用時注意區分這個字符串和其他 mode name。
RunLoop 的內部邏輯
根據蘋果在文檔裡的說明,RunLoop 內部的邏輯大致如下:
其內部代碼整理如下 (太長了不想看可以直接跳過去,後面會有說明):
///用DefaultMode啟動 voidCFRunLoopRun(void){ CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(),kCFRunLoopDefaultMode,1.0e10,false); } ///用指定的Mode啟動,允許設置RunLoop超時時間 intCFRunLoopRunInMode(CFStringRefmodeName,CFTimeIntervalseconds,BooleanstopAfterHandle){ returnCFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(),modeName,seconds,returnAfterSourceHandled); } ///RunLoop的實現 intCFRunLoopRunSpecific(runloop,modeName,seconds,stopAfterHandle){ ///首先根據modeName找到對應mode CFRunLoopModeRefcurrentMode=__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){ BooleansourceHandledThisLoop=NO; intretVal=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){ BooleanhasMsg=__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort,&msg) if(hasMsg)gotohandle_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);//threadwaitforreceivemsg } ///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。 elseif(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{ CFRunLoopSourceRefsource1=__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; }elseif(timeout){ ///超出傳入參數標記的超時時間了 retVal=kCFRunLoopRunTimedOut; }elseif(__CFRunLoopIsStopped(runloop)){ ///被外部調用者強制停止了 retVal=kCFRunLoopRunStopped; }elseif(__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); }
可以看到,實際上 RunLoop 就是這樣一個函數,其內部是一個 do-while 循環。當你調用 CFRunLoopRun() 時,線程就會一直停留在這個循環裡;直到超時或被手動停止,該函數才會返回。
RunLoop 的底層實現
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()。為了解釋這個邏輯,下面稍微介紹一下 OSX/iOS 的系統架構。
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。
我們在深入看一下 Darwin 這個核心的架構:
其中,在硬件層上面的三個組成部分:Mach、BSD、IOKit (還包括一些上面沒標注的內容),共同組成了 XNU 內核。
XNU 內核的內環被稱作 Mach,其作為一個微內核,僅提供了諸如處理器調度、IPC (進程間通信)等非常少量的基礎服務。
BSD 層可以看作圍繞 Mach 層的一個外環,其提供了諸如進程管理、文件系統和網絡等功能。
IOKit 層是為設備驅動提供了一個面向對象(C++)的一個框架。
Mach 本身提供的 API 非常有限,而且蘋果也不鼓勵使用 Mach 的 API,但是這些API非常基礎,如果沒有這些API的話,其他任何工作都無法實施。在 Mach 中,所有的東西都是通過自己的對象實現的,進程、線程和虛擬內存都被稱為"對象"。和其他架構不同, Mach 的對象間不能直接調用,只能通過消息傳遞的方式實現對象間的通信。"消息"是 Mach 中最基礎的概念,消息在兩個端口 (port) 之間傳遞,這就是 Mach 的 IPC (進程間通信) 的核心。
Mach 的消息定義是在頭文件的,很簡單:
typedefstruct{ mach_msg_header_theader; mach_msg_body_tbody; }mach_msg_base_t; typedefstruct{ mach_msg_bits_tmsgh_bits; mach_msg_size_tmsgh_size; mach_port_tmsgh_remote_port; mach_port_tmsgh_local_port; mach_port_name_tmsgh_voucher_port; mach_msg_id_tmsgh_id; }mach_msg_header_t;
一條 Mach 消息實際上就是一個二進制數據包 (BLOB),其頭部定義了當前端口 local_port 和目標端口 remote_port,
發送和接受消息是通過同一個 API 進行的,其 option 標記了消息傳遞的方向:
mach_msg_return_tmach_msg( mach_msg_header_t*msg, mach_msg_option_toption, mach_msg_size_tsend_size, mach_msg_size_trcv_size, mach_port_name_trcv_name, mach_msg_timeout_ttimeout, mach_port_name_tnotify);
為了實現消息的發送和接收,mach_msg() 函數實際上是調用了一個 Mach 陷阱 (trap),即函數mach_msg_trap(),陷阱這個概念在 Mach 中等同於系統調用。當你在用戶態調用 mach_msg_trap() 時會觸發陷阱機制,切換到內核態;內核態中內核實現的 mach_msg() 函數會完成實際的工作,如下圖:
這些概念可以參考維基百科:System_call、Trap_(computing)。
RunLoop 的核心就是一個 mach_msg() (見上面代碼的第7步),RunLoop 調用這個函數去接收消息,如果沒有別人發送 port 消息過來,內核會將線程置於等待狀態。例如你在模擬器裡跑起一個 iOS 的 App,然後在 App 靜止時點擊暫停,你會看到主線程調用棧是停留在 mach_msg_trap() 這個地方。
關於具體的如何利用 mach port 發送信息,可以看看NSHipster 這一篇文章,或者這裡的中文翻譯 。
關於Mach的歷史可以看看這篇很有趣的文章:Mac OS X 背後的故事(三)Mach 之父 Avie Tevanian。
蘋果用 RunLoop 實現的功能
首先我們可以看一下 App 啟動後 RunLoop 的狀態:
CFRunLoop{ currentmode=kCFRunLoopDefaultMode commonmodes={ UITrackingRunLoopMode kCFRunLoopDefaultMode } commonmodeitems={ //source0(manual) CFRunLoopSource{order=-1,{ callout=_UIApplicationHandleEventQueue}} CFRunLoopSource{order=-1,{ callout=PurpleEventSignalCallback}} CFRunLoopSource{order=0,{ callout=FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}} //source1(machport) 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, nextfiredate=453098071(-4421.76019@96223387169499), callout=_ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv(QuartzCore.framework)} }, modes={ CFRunLoopMode{ sources0={/*sameas'commonmodeitems'*/}, sources1={/*sameas'commonmodeitems'*/}, observers={/*sameas'commonmodeitems'*/}, timers={/*sameas'commonmodeitems'*/}, }, CFRunLoopMode{ sources0={/*sameas'commonmodeitems'*/}, sources1={/*sameas'commonmodeitems'*/}, observers={/*sameas'commonmodeitems'*/}, timers={/*sameas'commonmodeitems'*/}, }, CFRunLoopMode{ sources0={ CFRunLoopSource{order=0,{ callout=FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}} }, sources1=(null), observers={ CFRunLoopObserver>{activities=0xa0,order=2000000, callout=_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv} )}, timers=(null), }, CFRunLoopMode{ 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), } } }
可以看到,系統默認注冊了5個Mode:
1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默認 Mode,通常主線程是在這個 Mode 下運行的。
2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟蹤 Mode,用於 ScrollView 追蹤觸摸滑動,保證界面滑動時不受其他 Mode 影響。
3. UIInitializationRunLoopMode: 在剛啟動 App 時第進入的第一個 Mode,啟動完成後就不再使用。
4: GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統事件的內部 Mode,通常用不到。
5: kCFRunLoopCommonModes: 這是一個占位的 Mode,沒有實際作用。
你可以在這裡看到更多的蘋果內部的 Mode,但那些 Mode 在開發中就很難遇到了。
當 RunLoop 進行回調時,一般都是通過一個很長的函數調用出去 (call out), 當你在你的代碼中下斷點調試時,通常能在調用棧上看到這些函數。下面是這幾個函數的整理版本,如果你在調用棧中看到這些長函數名,在這裡查找一下就能定位到具體的調用地點了:
{ ///1.通知Observers,即將進入RunLoop ///此處有Observer會創建AutoreleasePool:_objc_autoreleasePoolPush(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry); do{ ///2.通知Observers:即將觸發Timer回調。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers); ///3.通知Observers:即將觸發Source(非基於port的,Source0)回調。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block); ///4.觸發Source0(非基於port的)回調。 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block); ///6.通知Observers,即將進入休眠 ///此處有Observer釋放並新建AutoreleasePool:_objc_autoreleasePoolPop();_objc_autoreleasePoolPush(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting); ///7.sleeptowaitmsg. mach_msg()->mach_msg_trap(); ///8.通知Observers,線程被喚醒 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting); ///9.如果是被Timer喚醒的,回調Timer __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer); ///9.如果是被dispatch喚醒的,執行所有調用dispatch_async等方法放入mainqueue的block __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block); ///9.如果如果Runloop是被Source1(基於port的)的事件喚醒了,處理這個事件 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1); }while(...); ///10.通知Observers,即將退出RunLoop ///此處有Observer釋放AutoreleasePool:_objc_autoreleasePoolPop(); __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit); }
AutoreleasePool
App啟動後,蘋果在主線程 RunLoop 裡注冊了兩個 Observer,其回調都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。
第一個 Observer 監視的事件是 Entry(即將進入Loop),其回調內會調用 _objc_autoreleasePoolPush() 創建自動釋放池。其 order 是-2147483647,優先級最高,保證創建釋放池發生在其他所有回調之前。
第二個 Observer 監視了兩個事件: BeforeWaiting(准備進入休眠) 時調用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並創建新池;Exit(即將退出Loop) 時調用 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647,優先級最低,保證其釋放池子發生在其他所有回調之後。
在主線程執行的代碼,通常是寫在諸如事件回調、Timer回調內的。這些回調會被 RunLoop 創建好的 AutoreleasePool 環繞著,所以不會出現內存洩漏,開發者也不必顯示創建 Pool 了。
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。
這個函數內部的調用棧大概是這樣的:
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv() QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback: CA::Transaction::commit(); CA::Context::commit_transaction(); CA::Layer::layout_and_display_if_needed(); CA::Layer::layout_if_needed(); [CALayerlayoutSublayers]; [UIViewlayoutSubviews]; CA::Layer::display_if_needed(); [CALayerdisplay]; [UIViewdrawRect];
定時器
NSTimer 其實就是 CFRunLoopTimerRef,他們之間是 toll-free bridged 的。一個 NSTimer 注冊到 RunLoop 後,RunLoop 會為其重復的時間點注冊好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 這幾個時間點。RunLoop為了節省資源,並不會在非常准確的時間點回調這個Timer。Timer 有個屬性叫做 Tolerance (寬容度),標示了當時間點到後,容許有多少最大誤差。
如果某個時間點被錯過了,例如執行了一個很長的任務,則那個時間點的回調也會跳過去,不會延後執行。就比如等公交,如果 10:10 時我忙著玩手機錯過了那個點的公交,那我只能等 10:20 這一趟了。
CADisplayLink 是一個和屏幕刷新率一致的定時器(但實際實現原理更復雜,和 NSTimer 並不一樣,其內部實際是操作了一個 Source)。如果在兩次屏幕刷新之間執行了一個長任務,那其中就會有一幀被跳過去(和 NSTimer 相似),造成界面卡頓的感覺。在快速滑動TableView時,即使一幀的卡頓也會讓用戶有所察覺。Facebook 開源的 AsyncDisplayLink 就是為了解決界面卡頓的問題,其內部也用到了 RunLoop,這個稍後我會再單獨寫一頁博客來分析。
PerformSelecter
當調用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 後,實際上其內部會創建一個 Timer 並添加到當前線程的 RunLoop 中。所以如果當前線程沒有 RunLoop,則這個方法會失效。
當調用 performSelector:onThread: 時,實際上其會創建一個 Timer 加到對應的線程去,同樣的,如果對應線程沒有 RunLoop 該方法也會失效。
關於GCD
實際上 RunLoop 底層也會用到 GCD 的東西,比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 實現的 Timer。但同時 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop, 例如 dispatch_async()。
當調用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 時,libDispatch 會向主線程的 RunLoop 發送消息,RunLoop會被喚醒,並從消息中取得這個 block,並在回調 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 裡執行這個 block。但這個邏輯僅限於 dispatch 到主線程,dispatch 到其他線程仍然是由 libDispatch 處理的。
關於網絡請求
iOS 中,關於網絡請求的接口自下至上有如下幾層:
CFSocket CFNetwork->ASIHttpRequest NSURLConnection->AFNetworking NSURLSession->AFNetworking2,Alamofire
CFSocket 是最底層的接口,只負責 socket 通信。
CFNetwork 是基於 CFSocket 等接口的上層封裝,ASIHttpRequest 工作於這一層。
NSURLConnection 是基於 CFNetwork 的更高層的封裝,提供面向對象的接口,AFNetworking 工作於這一層。
下面主要介紹下 NSURLConnection 的工作過程。
通常使用 NSURLConnection 時,你會傳入一個 Delegate,當調用了 [connection start] 後,這個 Delegate 就會不停收到事件回調。實際上,start 這個函數的內部會會獲取 CurrentRunLoop,然後在其中的 DefaultMode 添加了4個 Source0 (即需要手動觸發的Source)。CFMultiplexerSource 是負責各種 Delegate 回調的,CFHTTPCookieStorage 是處理各種 Cookie 的。
當開始網絡傳輸時,我們可以看到 NSURLConnection 創建了兩個新線程:com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 線程是處理底層 socket 連接的。NSURLConnectionLoader 這個線程內部會使用 RunLoop 來接收底層 socket 的事件,並通過之前添加的 Source0 通知到上層的 Delegate。
NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通過一些基於 mach port 的 Source 接收來自底層 CFSocket 的通知。當收到通知後,其會在合適的時機向 CFMultiplexerSource 等 Source0 發送通知,同時喚醒 Delegate 線程的 RunLoop 來讓其處理這些通知。CFMultiplexerSource 會在 Delegate 線程的 RunLoop 對 Delegate 執行實際的回調。
RunLoop 的實際應用舉例
AFNetworking
AFURLConnectionOperation這個類是基於 NSURLConnection 構建的,其希望能在後台線程接收 Delegate 回調。為此 AFNetworking 單獨創建了一個線程,並在這個線程中啟動了一個 RunLoop:
+(void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unusedobject{ @autoreleasepool{ [[NSThreadcurrentThread]setName:@"AFNetworking"]; NSRunLoop*runLoop=[NSRunLoopcurrentRunLoop]; [runLoopaddPort:[NSMachPortport]forMode:NSDefaultRunLoopMode]; [runLooprun]; } } +(NSThread*)networkRequestThread{ staticNSThread*_networkRequestThread=nil; staticdispatch_once_toncePredicate; dispatch_once(&oncePredicate,^{ _networkRequestThread=[[NSThreadalloc]initWithTarget:selfselector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:)object:nil]; [_networkRequestThreadstart]; }); return_networkRequestThread; }
RunLoop 啟動前內部必須要有至少一個 Timer/Observer/Source,所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先創建了一個新的 NSMachPort 添加進去了。通常情況下,調用者需要持有這個 NSMachPort (mach_port) 並在外部線程通過這個 port 發送消息到 loop 內;但此處添加 port 只是為了讓 RunLoop 不至於退出,並沒有用於實際的發送消息。
-(void)start{ [self.locklock]; if([selfisCancelled]){ [selfperformSelector:@selector(cancelConnection)onThread:[[selfclass]networkRequestThread]withObject:nilwaitUntilDone:NOmodes:[self.runLoopModesallObjects]]; }elseif([selfisReady]){ self.state=AFOperationExecutingState; [selfperformSelector:@selector(operationDidStart)onThread:[[selfclass]networkRequestThread]withObject:nilwaitUntilDone:NOmodes:[self.runLoopModesallObjects]]; } [self.lockunlock]; }
當需要這個後台線程執行任務時,AFNetworking 通過調用 [NSObject performSelector:onThread:..] 將這個任務扔到了後台線程的 RunLoop 中。
AsyncDisplayKit
AsyncDisplayKit是 Facebook 推出的用於保持界面流暢性的框架,其原理大致如下:
UI 線程中一旦出現繁重的任務就會導致界面卡頓,這類任務通常分為3類:排版,繪制,UI對象操作。
排版通常包括計算視圖大小、計算文本高度、重新計算子式圖的排版等操作。
繪制一般有文本繪制 (例如 CoreText)、圖片繪制 (例如預先解壓)、元素繪制 (Quartz)等操作。
UI對象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 對象的創建、設置屬性和銷毀。
其中前兩類操作可以通過各種方法扔到後台線程執行,而最後一類操作只能在主線程完成,並且有時後面的操作需要依賴前面操作的結果 (例如TextView創建時可能需要提前計算出文本的大小)。ASDK 所做的,就是盡量將能放入後台的任務放入後台,不能的則盡量推遲 (例如視圖的創建、屬性的調整)。
為此,ASDK 創建了一個名為 ASDisplayNode 的對象,並在內部封裝了 UIView/CALayer,它具有和 UIView/CALayer 相似的屬性,例如 frame、backgroundColor等。所有這些屬性都可以在後台線程更改,開發者可以只通過 Node 來操作其內部的 UIView/CALayer,這樣就可以將排版和繪制放入了後台線程。但是無論怎麼操作,這些屬性總需要在某個時刻同步到主線程的 UIView/CALayer 去。
ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式,實現了一套類似的界面更新的機制:即在主線程的 RunLoop 中添加一個 Observer,監聽了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件,在收到回調時,遍歷所有之前放入隊列的待處理的任務,然後一一執行。