运行循环 - RunLoop

2023-07-19 09:39:58

1.RunLoop简介

1.1 什么是RunLoop

　　简单来说就是：运行循环，可以理解成一个死循环，一直在运行。

　　RunLoop 实际上就是一个对象，是一个事件处理的循环，这个对象用来处理程序运行过程中出现的各种事件(触摸、Timer、网络)，从而保持线程的持续运行，而且在没有事件处理的时候，会进入休眠，从而节省CPU资源，提高程序性能。

　　OSX/iOS系统中，提供了两个这样的对象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架内的，它提供了纯 C 函数的 API，所以这些API都是线程安全的；NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封装，提供了面向对象的 API，但是这些 API 不是线程安全的。

1.2 RunLoop和线程

　　RunLoop 和线程有很密切的关系，我们知道线程的任务是用来执行一个或多个特定的任务，但是在默认情况下，线程执行完之后就会退出。这时候，如果我们想让这个线程一直去处理任务，并不退出，所以就有了 RunLoop。一个线程对应一个runloop对象，其关系是保存在一个全局的字典里。

一条线程对应一个 RunLoop 对象，但是子线程中的 RunLoop 默认是不运行的，需要调用 RunLoop 的 run 方法，这个方法就是一个死循环
我们只能在当前线程中操作当前线程的 RunLoop 对象；
RunLoop 对象是在第一次获取 RunLoop 对象时创建，在线程结束的时候销毁；
主线程 RunLoop 对象，系统帮我们创建好了，子线程的 RunLoop 对象，需要我们自己去创建。

1.3 默认情况下的主线程的RunLoop原理

　　我们在启动一个程序的时候，系统会调用创建项目时自动生成的 main.m 文件：

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 函数内部有一个无限循环的代码，上面开启 RunLoop 的代码可以简单的理解为以下代码：

int main(int argc, char * argv[]) {

    BOOL running = YES;

    do {

        // 执行各种任务，处理各种事件

        // ......

    } while (running);

    return 0;

}

　　从上面可以看出，程序一直在 do-while 循环中执行，所以 UIApplicationMain 函数一直没有返回，我们在运行程序之后，不会马上退出，会保持持续运行状态。

　　下面，来看一张官方的 RunLoop 模型图：

　　从上图中可以看出，RunLoop 就是线程中的的一个循环，RunLoop 在循环中会不断检测，通过 Input Source (输入源) 和 Timer Source (定时源) 两种事件源来等待接收事件，然后对接收到的事件通知线程处理，并在没有事件的时候休息。

2.RunLoop相关类

下面我们来了解一下 Core Fundation 框架下，关于 RunLoop 的5个类：

CFRunLoopRef：　　代表RunLoop对象
CFRunLoopModeRef：代表RunLoop的运行模式
CFRunLoopSourceRef：就是RunLoop模型中提到的输入源/事件源
CFRunLoopTimerRef：就是RunLoop模型中的定时源
CFRunLoopObserverRef: 观察者，能够监听RunLoop的状态改变

下面是这5个类的关系图：

　　通过上图，我们可以看出，一个 RunLoop 对象 ( CFRunLoopRef ) 包含若干个运行模式 ( CFRunLoopModeRef ) ，每一个运行模式下又包含着若干个输入源 ( CFRunLoopSourceRef )，定时源 ( CFRunLoopTimerRef )，观察者 ( CFRunLoopObserverRef )

每次 RunLoop 启动的时候，只能指定其中的一种运行模式 ( CFRunLoopModeRef )，这个运行模式被称为 currentMode
如果需要切换运行模式 ( CFRunLoopModeRef )，只能退出 RunLoop，在重新指定一个运行模式 ( CFRunLoopModeRef ) 进入
这样做主要是为了分隔开输入源 ( CFRunLoopSourceRef )，定时源 ( CFRunLoopTimerRef )，观察者 ( CFRunLoopObserverRef )，使其不受影响

2.1 CFRunLoopRef（是线程安全的）

　　CFRunLoopRef 就是 Core Foundation 框架下的 RunLoop 类，我们可以通过以下方式来获取 RunLoop 对象：

Core Foundation

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

CFRunLoopGetMain();    // 获得主线程的RunLoop对象

Foundation

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

[NSRunLoop mainRunLoop];    // 获得主线程的RunLoop对象

2.2 CFRunLoopModeRef

系统默认定义了多种运行模式：

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
UITrackingRunLoopMode ：跟踪用户的交互事件 (用于scrollView追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他mode影响)，只能是触摸事件唤醒，级别最大
UIInitializationRunLoopMode：在刚启动App的时候进入的第一个mode，启动完成后就不在使用
GSEventReceiveRunLoopMode：接受系统内部事件，通常用不到
kCFRunLoopCommonMode：占位模式，不是一种真正的运行模式，

2.3 CFRunLoopTimerRef

　　CFRunLoopTimerRef 定时源，理解为基于时间的触发器，基本上就是NSTimer。其包含了一个时间长度和一个回调（函数指针），当其加入到 runloop 时，runloop 会注册对应的时间点，当时间点到的时候，runLoop 会唤醒那个回调。

　　下面我们来演示下 CFRunLoopModeRef 和 CFRunLoopTimerRef 结合的使用用法，从而加深理解：

　　　　- 我们先新建一个iOS项目，在Main.storyboard中拖入一个Text View。

　　　　- 在ViewController.m 文件中加入以下代码

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    // 定义一个定时器，约定两秒之后调用self的run方法

    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

    // 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下

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

}

- (void)run

{

    NSLog(@"---run");

}

　　　　- 然后运行，这时候我们会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Text View 滚动时，我们发现 :run 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。

　　这是因为：

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
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。

　　可以试着将上面代码中的：

// 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下

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

　　换成

// 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下

    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode: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 Text View 的模式下工作，而不做操作的时候，定时器就不工作。

　　那难道我们就不能再这两种模式下让NSTimer都能正常工作吗？

　　当然可以啊，这就用到了之前说的伪模式(kCFRunLoopCommonModes) ,也可以理解为占位模式，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标记的模式下运行。

　　那么此时，我们需要将 NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode 打上标记，所以我们只要将NSTimer 添加到当前 RunLoop 的占位模式下就可以让 NSTimer 在不做操作和拖动 Text View 两种情况下愉快的工作了。

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

　　顺便讲一下 NSTimer 中的 scheduledTimerWithTimeInterval 方法和 RunLoop 的关系：

[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) 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:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

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

2.4 CFRunLoopSourceRef

　　CFRunLoopSourceRef 是事件源，它有两种分类方法：

　　第一种：按照官方文档来分类（就像RunLoop模型图中那样）：

Port-Based Sources (基于端口)
Custom Input Sources （自定义）
Cocoa Perform Selector Sources

　　第二种：按照函数调用栈来分类：

Source0：只包含了一个回调，并不能主动触发事件，使用时需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source) 将其标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 runloop 来处理。
Source1：包含了一个mach_port和一个回调(函数指针)，通过内核和其他线程通信，接收、分发系统事件，能主动唤醒 runLoop;

　　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、。

　　下面我们举个例子大致来了解一下函数调用栈和Source：

　　当我们点击红色区域的时候，会弹出下面的窗口，这就是点击事件产生的函数调用栈：

　　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行的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。

2.5 CFRunLoopObserverRef

　　CFRunLoopObserverRef 是观察者，用来监听RunLoop的状态改变，每个 observer 都包含一个回调（函数指针），当 runloop 的状态发生变化的时候，观察者就能通过回调接收到这个变化，可以观察到的时间点有以下几个：

typedef 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

};

　下面我们通过代码来监听RunLoop中的状态改变：

　　1. 添加以下代码:

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    // 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);

}

　　2.然后运行，看下打印结果：

2017-12-18 23:05:06.992894+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.993346+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.993608+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.993798+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.993986+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.994204+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.997608+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.997771+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.997951+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.998064+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.998226+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.998342+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.999366+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.999518+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:06.999653+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:06.999757+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:07.002657+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:07.003307+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:07.067024+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2

2017-12-18 23:05:07.067467+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4

2017-12-18 23:05:07.068242+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---32

2017-12-18 23:05:07.248755+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---64

　　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。

上面的 Source/Timer/Observer 被统称为 model item，一个 item 可以被加入多个 model，但重复加入是不会有效果的，如果 mode 中一个 item 都没有，则 runloop 就会直接退出，不进入循环。

3. RunLoop 原理

下面，我们来理解下RunLoop的运行逻辑了：

这张图对于我们理解RunLoop很有帮助，下面我们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：

通知观察者RunLoop已经启动
通知观察者即将要开始的定时器
通知观察者任何即将启动的非基于端口的源
启动任何准备好的非基于端口的源
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
通知观察者线程进入休眠状态
将线程置于休眠直到任一下面的事件发生：某一事件到达基于端口的源 - 定时器启动 - RunLoop设置的时间已经超时 - RunLoop被显示唤醒
通知观察者线程将被唤醒
处理未处理的事件 - 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 - 如果输入源启动，传递相应的消息 - 如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时，重启RunLoop，进入步骤2
通知观察者RunLoop结束。

4. 使用场景

4.1 后台常驻线程(很常用)

　　我们在开发程序的过程中，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。

　　那么怎么做呢？

　　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。

- (void)viewDidLoad {

    [super viewDidLoad];

    // 创建线程，并调用run1方法执行任务

    self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run1) object:nil];

    // 开启线程

    [self.thread start];

}

- (void) run1

{

    // 这里写任务

    NSLog(@"----run1-----");

    // 添加下边两句代码，就可以开启RunLoop，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(@"未开启RunLoop");

}

　　运行之后发现打印了 ---run1--- ，而未开启RunLoop则未打印。

　　给当前 runloop 添加一个 NSPort 类的实例，是因为上面我们提到，如果 RunLoop 中一个 mode item 都没有时，runloop 就会立即退出，所以我们在这里给当前 runloop 添加一个输入源。

　　这样我们就开启了一条常驻线程，如果我们再去添加其他任务的时候，---run1---还会继续打印，这就实现了常驻线程的需求。

4.2 自动释放池

　　App 启动之后，会注册两个 observer，其回调都是其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 observer 监视的事件是 Entry（即将进入runLoop）,其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush () ，创建自动释放池，其 order 是 -2147483647，优先级最高，这个要保证创建释放池发生在其他所有回调之前。
第二个 observer 监视了两个事件 BeforeWaiting（准备进入休眠时）调用 _objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的释放池和创建新的释放池，Exit（即将退出 runloop ）时调用_objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池，这个 observer 的优先级最低，为2147483647，保证释放自动释放池发生在所有的回调之后。

　　在主线程执行的代码，通常是写在事件回调或者timer回调之中的，这些回调会被 runloop 创建的释放池环绕着，所以不会出现内存泄露，开发者也不用显示的去创建一个自动释放池了。

4.3 定时器

　　NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef，它们两者是可以互换使用的，一个 NSTimer 注册到 RunLoop 之后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00,12:00，这几个时间点，RunLoop 为了节省资源，并不会在非常准的时间点去回调这个Timer，Timer有个属性叫做宽容度(Tolerance)，标示当到了时间点后，容许有多少最大误差。

　　如果执行了一个很长的任务之后，这个时间点被错过了，就像错过了 10:00 的公交一样，就只能等下一趟 12:00 的了。

　　所以，此时有一个问题，怎么样才能实现一个非常准的定时器呢？ CADisplayLink

4.4 PreformSelector

　　当调用 NSObject 的 performSelector:afterDelay 之后，其内部会创建一个 Timer 并添加到 RunLoop 中，所以如果当前线程没有 RunLoop ,这个方法会失效。

　　当调用 performSelector:onThread 时，实际上其会创建一个 Timer 加入到对应的线程去，同样，如果对应线程没有 RunLoop 这个方法也会失效。

4.5 事件响应

　　苹果注册了一个 Source1 (基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

　　当一个硬件事件(触摸/锁屏/摇晃等)发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。SpringBoard 只接收按键(锁屏/静音等)，触摸，加速，接近传感器等几种 Event，随后用 mach port 转发给需要的App进程。随后苹果注册的那个 Source1 就会触发回调，并调用 _UIApplicationHandleEventQueue() 进行应用内部的分发。

_UIApplicationHandleEventQueue() 会把 IOHIDEvent 处理并包装成 UIEvent 进行处理或分发，其中包括识别 UIGesture/处理屏幕旋转/发送给 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在这个回调中完成的。

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