• 正常情况下, 一个线程执行完, 程序就会立即退出, 比如一个命令行项目
  • NSRunLoop 是 iOS 中的消息处理机制,执行完某个事件后线程不会退出，而是进入休眠状态，当再次监测到需要出发事件时，线程激活，继续处理事件，处理完成后再次进入休眠
  • 这种时间运行循环, 类似于一个 while 循环
  • 默认情况下, 不需要我们手动创建 RunLoop , 因为 cocoa 框架为我们创建了一个默认的 RunLoop
  • RunLoop 的主要作用
    • 保持程序的持续运行
    • 处理 App 中的各种事件（手势、定时器、 Selector 等）
    • 节省 CPU 资源、提高程序性能：该做任务的时候做任务，没事干的时候休息
  • RunLoop 和线程的关系
    • 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 会在第一次获取线程时创建
    • 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对象

  • 在 iOS 开发中 RunLoop 有两套 API 框架, 分别是
    • Foundation 的 NSRunLoop
    • Core Foundation 的 CFRunLoopRef
  • CFRunLoopRef 是基于 C 语言的开源框架, 有兴趣的可以到 源码地址 下载源码, 不过没有 C 语言功底的只怕很难看懂
  • NSRunLoop 是对 CFRunLoopRef 的有一层封装, 是 OC 语法的框架
  • 简单使用, 获取 RunLoop 对象 
// 获取当前线程的RunLoop
[NSRunLoop currentRunLoop];
// 获取主线程的RunLoop
[NSRunLoop mainRunLoop];
    
// 获取主线程的RunLoop
CFRunLoopGetMain();
// 获取当前线程的RunLoop
CFRunLoopGetCurrent();

RunLoop相关的类

  • 因为 NSRunLoop 是不开源的, 但是 CFRunLoopRef 却是开源的, 从 源码地址 下载 CFRunLoopRef 的源码
  • 在源码中可以看到, 在 Core Foundation 中 CFRunLoopRef 有以下5个相关的类 
    CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopRef

CFRunLoopRef 对象的主要核心代码如下 

typedef struct __CFRunLoop * CFRunLoopRef;

struct __CFRunLoop {
    // 线程对象
    pthread_t _pthread;
    // 无序集合
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    // 当前mode
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
};

主要属性介绍

  • CFMutableSetRef 是一个无序的集合, 在上面的代码中存储的都是 CFRunLoopModeRef 对象
  • 其中 _modes 存储的是所有的 mode 对象
  • _currentMode 是指当前的 mode

CFRunLoopModeRef 

typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;

struct __CFRunLoopMode {
    // mode名称
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    CFMutableSetRef _sources0;
    CFMutableSetRef _sources1;
    CFMutableArrayRef _observers;
    CFMutableArrayRef _timers;
};
  • _name : 该 __CFRunLoopMode 的名称
  • _sources0 和 _sources1 : 一个无序集合, 存储的都是 CFRunLoopSourceRef 对象
  • _observers : 一个有序集合数组,存储的都是 CFRunLoopObserverRef 对象
  • _timers : 一个有序集合数组,存储的都是 CFRunLoopTimerRef 对象
  • 从这里我们可以看出以上几个类之间的关系, 大概可如下图所示

  • CFRunLoopModeRef 代表 RunLoop 的运行模式
  • 一个 RunLoop 只能对应一个线程, 却包含若干个 Mode ，每个 Mode 又包含若干个 Source0/Source1/Timer/Observer
  • RunLoop 启动时只能选择其中一个 Mode ，作为 currentMode 同样只能有一个
  • 如果需要切换 Mode ，只能退出当前 Loop ，再重新选择一个 Mode 进入,
    不同组的 Source0/Source1/Timer/Observer 能分隔开来，互不影响
  • 如果 Mode 里没有任何 Source0/Source1/Timer/Observer ， RunLoop 会立马退出
  • 以下是系统默认的集中 mode 
FOUNDATION_EXPORT NSRunLoopMode const NSDefaultRunLoopMode;
FOUNDATION_EXPORT NSRunLoopMode const NSRunLoopCommonModes;

UIKIT_EXTERN NSRunLoopMode const UITrackingRunLoopMode;

CF_EXPORT const CFRunLoopMode kCFRunLoopDefaultMode;
CF_EXPORT const CFRunLoopMode kCFRunLoopCommonModes;
  • 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 （ NSRunLoopCommonModes ）: 并不是某一种特定的 mode , 而是通用模式, 包括 kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode

CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者，能够监听 RunLoop 所有的状态改变。

可以监听的时间点有如下几种：

/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    // 即将进入Loop
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),
    // 即将处理Timer
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
    // 即将处理Source
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
    // 即将进入休眠
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
    // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
    // 即将退出Loop
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),
    // 所有状态
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

在主线程监听所有的状态

// 创建observer
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;
    }
});
// 吧observer添加到RunLoop中
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 释放
CFRelease(observer);

RunLoop消息类型

从上图可以看出消息类型大概可以分出两种, 第一种类型又可以细分为三种, 这三种都是异步执行的

Port

监听程序的 mach ports ， ports 可以简单的理解为：内核通过 port 这种方式将信息发送，而 mach 则监听内核发来的 port 信息，然后将其整理，打包发给 runloop

Customer

由开发人员自己发送, 苹果也提供了一个 CFRunLoopSource 来帮助处理, 简单介绍核心实:

  1. 定义输入源（数据结构）
  2. 将输入源添加到runloop，那么这样就有了接受者，即为R1
  3. 协调输入源的客户端（单独线程），专门监听消息，然后将消息打包成 runloop 能够处理的样式，即第一步定义的输入源。它类似 Mach 的功能

Selector Sources

NSObject类提供了很多方法供我们使用，这些方法是添加到runloop的，所以如果没有开启runloop的话，不会运行

/// 主线程
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
	
/// 指定线程
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array;
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

/// 针对当前线程, 延迟调用
- (void)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)anArgument afterDelay:(NSTimeInterval)delay inModes:(NSArray<NSRunLoopMode> *)modes;
- (void)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)anArgument afterDelay:(NSTimeInterval)delay;

/// 取消，在当前线程，和上面两个方法对应
+ (void)cancelPreviousPerformRequestsWithTarget:(id)aTarget selector:(SEL)aSelector object:(nullable id)anArgument;
+ (void)cancelPreviousPerformRequestsWithTarget:(id)aTarget;
  • 上面提到的前四个方法是在指定线程运行 aSelector , 一般情况下 aSelector 会添加到指定线程的 runloop
  • 如果调用线程和指定线程为同一线程，且 wait 参数设为 YES ，那么 aSelector 会直接在指定线程运行，不再添加到 runloop ;
  • 因为 wait 参数设为 YES , 意味着要等待 aSelector 执行完成之后才回去执行后面的逻辑

RunLoop运行逻辑

根据苹果在 文档 里的说明， RunLoop 内部的逻辑大致如下:

未查看 RunLoop 的执行流程, 我们可以新建一个项目, 并简单加一个触发事件, 如下所示

  • 如图所示, 添加一个简单的触发事件, 并加上断点, 在打印区域输入 bt 命令后, 就能看到完整的执行流程了
  • 从下往上查看, 所执行的相关函数大概流程是:
  • UIApplicationMain
  • CFRunLoopRunSpecific
  • __CFRunLoopRun
  • __CFRunLoopDoSources0
  • 最后就是 [UIResponder touchesBegan:withEvent:] 触发函数了
  • 下面的事情就是找到源码, 依次查看所执行的函数了
  • 在源码中找到 CFRunLoop.c 文件, 搜索 CFRunLoopRunSpecific 方法, 就是核心代码了, 一起来看看吧
  • 删除其他不相关的代码, 核心代码大概如下
/// RunLoop的实现, 大概在文件的2622行
SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) { {
    
    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false);
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// __CFRunLoopRun中具体要做的事情
    result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
    
    /// 11. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
    
    return result;
}


// __CFRunLoopRun的实现, 进入loop, 大概在文件的2304行
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {

    int32_t retVal = 0;
    do {

        // 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        
        // 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);

        // 4. 处理block
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);

        // 5. 处理Source0
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        // 如果处理Source0的结果是rrue
        if (sourceHandledThisLoop) {
            // 再次处理block
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        }

        Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);

        // 6. 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 (__CFRunLoopWaitForMultipleObjects(NULL, &dispatchPort, 0, 0, &livePort, NULL)) {
            // 如果有Source1, 就跳转到handle_msg
            goto handle_msg;
        }

        // 7. 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
        __CFRunLoopSetSleeping(rl);
	
        // 7. 调用mach_msg等待接受mach_port的消息。线程将进入休眠, 等待别的消息来唤醒当前线程
        // 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, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
        
        
        __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        // 8. 通知Observers: 结束休眠, RunLoop的线程刚刚被唤醒了
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);

        
    // 收到消息，处理消息。
    handle_msg:;
        if (/* 被timer唤醒 */) {
            // 01. 处理Timer
            __CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())
        } else if (/* 被gcd唤醒 */) {
            // 02. 处理gcd
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
        } else {  // 被Source1唤醒
            // 处理Source1
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls) || sourceHandledThisLoop;
	    }
        
        // 9. 处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        // 10. 设置返回值, 根据不同的结果, 处理不同操作
        if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
            // 进入loop时参数说处理完事件就返回。
            retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
        } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
            // 超出传入参数标记的超时时间了
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
        } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
             // 被外部调用者强制停止了
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;
        } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
            // 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 (0 == retVal);

    return retVal;
}

RunLoop

从上面的代码可以看到 RunLoop 其内部是一个 do-while 循环; 当你调用 CFRunLoopRun() 时，线程就会一直停留在这个循环里；直到超时或被手动停止，该函数才会返回

RunLoop的底层实现

  • 从上面代码可以看到， RunLoop 的核心是基于 mach port 的，其进入休眠时调用的函数是 mach_msg()
  • Mach 本身提供的 API 非常有限，而且苹果也不鼓励使用 Mach 的 API
  • 但是这些 API 非常基础，如果没有这些 API 的话，其他任何工作都无法实施
  • 在 Mach 中，所有的东西都是通过自己的对象实现的，进程、线程和虚拟内存都被称为”对象”
  • 和其他架构不同， Mach 的对象间不能直接调用，只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。
  • “消息”是 Mach 中最基础的概念，消息在两个端口 ( port ) 之间传递，这就是 Mach 的 IPC (进程间通信) 的核心。

Mach 的消息定义是在 <mach/message.h> 头文件的，很简单： 

typedef struct {
  mach_msg_header_t header;
  mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t;

typedef struct {
  mach_msg_bits_t msgh_bits;
  mach_msg_size_t msgh_size;
  mach_port_t msgh_remote_port;
  mach_port_t msgh_local_port;
  mach_port_name_t msgh_voucher_port;
  mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t;
  • 一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB)，其头部定义了当前端口 local_port 和目标端口 remote_port
  • 发送和接受消息是通过同一个 API 进行的，其 option 标记了消息传递的方向： 
mach_msg_return_t mach_msg(
	mach_msg_header_t *msg,
	mach_msg_option_t option,
	mach_msg_size_t send_size,
	mach_msg_size_t rcv_size,
	mach_port_name_t rcv_name,
	mach_msg_timeout_t timeout,
	mach_port_name_t notify
);
  • 为了实现消息的发送和接收， mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱( trap )，即函数 mach_msg_trap() ，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用
  • 当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制，切换到内核态；内核态中内核实现的 mach_msg() 函数会完成实际的工作
  • 内核态中的 mach_msg() , 如果没有消息就让线程休眠,有消息就唤醒线程

  • RunLoop 的核心就是一个 mach_msg() (见上面代码的第7步)， RunLoop 调用这个函数去接收消息，如果没有别人发送 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态
  • 例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App ，然后在 App 静止时点击暂停，你会看到主线程调用栈是停留在 mach_msg_trap() 这个地方

NSRunLoop 应用实践

NSTimer问题

解决 NSTimer 在滑动时停止工作的问题

  • 上文有说到 CFRunLoopMode 主要使用的一般有三种 Mode
  • DefaultMode 是 App 平时所处的状态， TrackingRunLoopMode 是追踪 ScrollView 滑动时的状态
  • 当你创建一个 Timer 并加到 DefaultMode 时， Timer 会得到重复回调，但此时滑动一个 TableView 时， RunLoop 会将 mode 切换为 TrackingRunLoopMode ，这时 Timer 就不会被回调，并且也不会影响到滑动操作
  • 下面我来看一下这个例子
#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()
// 在xib中添加一个可滚动的UITextView
@property (weak, nonatomic) IBOutlet UITextView *textView;
@property (assign, nonatomic) NSInteger timerCount;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 添加一个定时器
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(timerClick) userInfo:nil repeats:YES];
}
    
- (void)timerClick {
    NSLog(@"--------%ld", (long)self.timerCount++);
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    NSLog(@"touchesBegan");
}
@end
  • 上面代码中 scheduledTimerWithTimeInterval 方式添加的 NSTimer 会默认被添加到 DefaultMode 中
  • 当程序运行的时候回正常执行定时器的方法
  • 当我们正常滚动 UITextView 的时候, 从打印结果可以看到, 定时器停止执行了, 结束滚动 UITextView 的时候, 定时器方法会继续执行
  • 输出结果如下所示
2019-08-20 21:46:01.986843+0800 RunLoop[86811:3484205] --------0
2019-08-20 21:46:02.986723+0800 RunLoop[86811:3484205] --------1
2019-08-20 21:46:03.986040+0800 RunLoop[86811:3484205] --------2
2019-08-20 21:46:04.986274+0800 RunLoop[86811:3484205] --------3
2019-08-20 21:46:05.272525+0800 RunLoop[86811:3484205] touchesBegan
2019-08-20 21:46:12.291035+0800 RunLoop[86811:3484205] --------4
2019-08-20 21:46:12.986318+0800 RunLoop[86811:3484205] --------5
2019-08-20 21:46:13.986197+0800 RunLoop[86811:3484205] --------6
2019-08-20 21:46:14.986735+0800 RunLoop[86811:3484205] --------7
  • 有时你需要一个 Timer ，在两个 Mode 中都能得到回调
  • 一种办法就是将这个 Timer 分别加入这两个 Mode
  • 另一种方式，就是将 Timer 加入到顶层的 RunLoop 的 commonModeItems 中
  • commonModeItems 被 RunLoop 自动更新到所有具有 Common 属性的 Mode 里去
  • CommonModes 并不是一个真的模式，它只是一个标记 
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
    NSLog(@"--------%ld", (long)self.timerCount++);
}];

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