Runloop知识梳理

2024-01-09 11:36:10

Runloop知识梳理

源码可在这里查看：https://opensource.apple.com/tarballs/CF/

1、NSTimer

NSTimer解析：
NSTimer其实是CFRunloopTimerRef，他们之间是对象桥接（toll-free bridged）的关系。一个timer添加至runloop中，runloop会为其注册好重复时间点的事件，比如12:00，12:10，12:20等。但是，runloop为了节省资源，并不会在准确的时间点回调timer事件，tolerance属性就是设置最大允许的时间容差。

NSTimer *timer = [[NSTimer alloc] init];
timer.tolerance = 1.0;

NSTimer有时不好使的原因：
NSTimer默认创建是添加至runloop的defaultMode模式下，当runloop的mode发生变化时，当前的NSTimer并不会执行
补充
CADisplayLink是与屏幕刷新率一致的定时器。但是，当帧与帧之间执行一个比较复杂的任务时，会出现掉帧的情况，导致界面卡顿

2、autoreleasePool

原理：autoreleasePoolPage双向连接而成（双向链表，autoreleasePoolPage相当于一个node）
释放时机：App启动后，苹果会注册两个observer，它们的回调都是_wrapRunloopWithAutoreleasePoolHandler()。
**a、**第一个observer监听的是entry事件，其回调内会调用_objc_autoreleasePoolPush()创建释放池，它的优先级最高，保证它创建在最前面。**b、**第二observer监听两个事件：
1）beforeWaiting事件：beforeWaiting事件回调中，会调用_objc_autoreleasePoolPop()和_objc_autoreleasePoolPush()释放旧的释放池和创建新的释放池；2）exit事件：
在exit事件回调中，调用_objc_autoreleasePoolPop()释放新的释放池，其优先级最低，保证它在最后执行
autoReleasePoolPage大致的基本结构如下图所示(大小：4096bytes=4k)

3、Runloop

数据结构:NSRunloop是对CFRunLoop的封装，提供面向对象的API，大致可分成5个大类：__CFRunloop、__CFRunloopMode、__CFRunloopSource、__CFRunloopTimer和__CFRunloopObserver。

typedef struct CF_BRIDGED_MUTABLE_TYPE(id) __CFRunLoop * CFRunLoopRef;
typedef struct CF_BRIDGED_MUTABLE_TYPE(id) __CFRunLoopSource * CFRunLoopSourceRef;
typedef struct CF_BRIDGED_MUTABLE_TYPE(id) __CFRunLoopObserver * CFRunLoopObserverRef;
typedef struct CF_BRIDGED_MUTABLE_TYPE(NSTimer) __CFRunLoopTimer * CFRunLoopTimerRef;
__CFRunloopMode并未对外暴漏

a、***__CFRunloop***:由pthread线程对象、modes（多个运行模式）、currentMode（当前模式类型）、commonModes（多个运行模式的字符串名称）和commonModeItems（source、timer、observer组成）等组合而成。

/**
*    源码结构如下
**/
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 runloop
        pthread_t _pthread;//线程对象，与runloop一一对应
        uint32_t _winthread;
        CFMutableSetRef _commonModes;//运行模式的字符串名称集合
        CFMutableSetRef _commonModeItems;//source、timer、obverser
        CFRunLoopModeRef _currentMode;//当前runloop运行模式
        CFMutableSetRef _modes;//多个运行模式集合
        struct _block_item *_blocks_head;
        struct _block_item *_blocks_tail;
        CFAbsoluteTime _runTime;
        CFAbsoluteTime _sleepTime;
        CFTypeRef _counterpart;
};

b、***__CFRunloopMode***:由source0、source1、timers、observers等组成

//源码结构
struct __CFRunLoopMode {
        CFRuntimeBase _base;
        pthread_mutex_t _lock;	/* must have the run loop locked before locking this */
        CFStringRef _name;
        Boolean _stopped;
        char _padding[3];
        CFMutableSetRef _sources0;
        CFMutableSetRef _sources1;
        CFMutableArrayRef _observers;
        CFMutableArrayRef _timers;
        CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
        __CFPortSet _portSet;
        CFIndex _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
        dispatch_source_t _timerSource;
        dispatch_queue_t _queue;
        Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
        Boolean _dispatchTimerArmed;
#endif
#if USE_MK_TIMER_TOO
        mach_port_t _timerPort;
        Boolean _mkTimerArmed;
#endif
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
        DWORD _msgQMask;
        void (*_msgPump)(void);
#endif
        uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
        uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
};

c、***__CFRunloopSource***:分source0和source1两种；source0非基于port的，即用户触发的事件，需要手动唤醒线程，将当前线程由内核态切换到用户态；source1基于port的，监听系统端口与通过内核和其他线程发送的消息，能主动唤醒runloop，接收分发系统事件。

//源码结构如下
struct __CFRunLoopSource {
        CFRuntimeBase _base;
        uint32_t _bits;
        pthread_mutex_t _lock;
        CFIndex _order;			/* immutable */
        CFMutableBagRef _runLoops;
        union {
	       CFRunLoopSourceContext version0;	/* immutable, except invalidation */
           CFRunLoopSourceContext1 version1;	/* immutable, except invalidation */
        } _context;
};

d、***__CFRunloopTimer***：基于时间的触发器，基本说的是NSTimer。在预设的时间点唤醒runloop执行回调（因为它是基于runloop，因此它不是实时的，因为runloop只负责分发源消息，如果当前线程在执行复杂的任务，就会延迟执行timer回调，甚至会跳过当前时间点的回调事件）

//源码结构如下
struct __CFRunLoopTimer {
        CFRuntimeBase _base;
        uint16_t _bits;
        pthread_mutex_t _lock;
        CFRunLoopRef _runLoop;
        CFMutableSetRef _rlModes;
        CFAbsoluteTime _nextFireDate;
        CFTimeInterval _interval;		/* immutable */
        CFTimeInterval _tolerance;          /* mutable */
        uint64_t _fireTSR;			/* TSR units */
        CFIndex _order;			/* immutable */
        CFRunLoopTimerCallBack _callout;	/* immutable */
        CFRunLoopTimerContext _context;	/* immutable, except invalidation */
};

e、***__CFRunloopObserver***:监听如下时间点，kRunloopActivity、kRunloopEntry（runloop准备启动）、kRunloopBeforeTimers（runloop即将要处理一些timer相关事件）、kRunloopBeforeSources（runloop即将要处理一些source相关事件）、kRunloopBeforeWaiting（runloop即将进入休眠状态，由用户态切换成内核态）、kRunloopAfterWaiting（runloop被唤醒，由内核态切换成用户态）、kRunloopExit（runloop退出）和kRunloopAllActivities（监听所有状态）

//源码结构如下
struct __CFRunLoopObserver {
        CFRuntimeBase _base;
        pthread_mutex_t _lock;
        CFRunLoopRef _runLoop;
        CFIndex _rlCount;
        CFOptionFlags _activities;		/* immutable */
        CFIndex _order;			/* immutable */
        CFRunLoopObserverCallBack _callout;	/* immutable */
        CFRunLoopObserverContext _context;	/* immutable, except invalidation */
};

Mode：关于Mode首先要知道，runloop可能包含多个mode，且每次调用runloop主函数只能指定一个mode（currentMode）。切换mode，只能重新指定一个mode。这样的目的是分开不同的source、timer、observer，使它们互不影响。当runloop运行在mode1上时，是无法接收mode2、mode3的source、timer、observer的。
总共有5种mode：kRunloopDefaultMode（默认模式，主线程在这个模式下执行）、kRunloopCommonModes（伪模式，是同步source/timer/observer到多个mode的一种方案）、kUITrackingRunloopMode（跟踪用户交互，滚动触摸等）、kInitializationRunloopMode（app刚启动进入的第一个mode，启动完就不用）、GSEventReceiveRunloopMode（接收系统内部事件mode，一般用不到）
实现机制（大致如下）
1、通知观察者runloop即将启动
2、通知观察者runnloop即将处理timer事件
3、通知观察者runloop即将处理sourece0事件
4、处理source0事件
5、如果有基于端口的source1事件并处于等待状态，进入步骤9
6、通知观察者线程即将进入休眠状态
7、将线程设置成休眠状态，下面的任一事件都会唤醒线程：（1）基于port的source1事件（2）timer事件（3）runloop自身时间到
8、通知观察者线程即将被唤醒
9、处理唤醒时收到的事件：（1）用户定义的定时器启动，处理事件并重启runloop，进入步骤2（2）输入源启动，传递相应信息（3）runloop被显式唤醒但runloop自身时间未到，重启runloop，进入步骤2
10、通知观察者runloop结束
常驻线程
1、为当前线程开启一个runloop
2、向runloop中添加port/source维持runloop循环
3、开启runloop
作用
runloop的主要作用是保证无消息时线程处于休眠状态，有消息时唤醒线程，节省资源和提高程序性能。

4、事件

事件响应过程
当一个硬件事件（触摸、锁屏、旋转等）发生后，由IOKit.framework生成一个IOHIDEvent事件；事件由SpringBoard接收，通过mach_port分发至App进程，随后通过注册的source1回调将IOHIDEvent包装成UIEvent事件进行处理和分发。
手势识别过程
在source1回调中识别到一个手势后，首先调用cancel打断touchBegin/Move/End系列事件，然后将识别到的手势标志为待处理。苹果注册了observer监听beforeWaiting事件，在这个回调中会拿取待处理的手势事件并进行相应的处理

5、渲染

runloop渲染过程
当调用[UIView setNeedsDisplay]时，回调用UIView layer的setNeedsDisplay方法，相当于给layer打一个标志。这时并未直接进行绘制工作，而是到当前runloop的beforeWaiting才会进行绘制工作。调用[CALayer display]进行绘制工作。首先判断是否实现layer.delegate的方法displayer:，这个接口是异步绘制的入口；如若未实现，进行系统绘制流程，绘制结束。
系统绘制流程
创建BackingStore，用于获取图形上下文，然后判断是否有Delegate。有，则调用[layer.delegate drawLayer:inContext:]，并返回回调[UIView draw]给我们，让我们在系统绘制的基础上做一些其他事情；没有，则调用[CALayer drawInContext:]。以上两个分支都会将绘制存储到BackingStore中，然后提交到GPU，绘制结束。
异步绘制
在异步绘制入口(上面提到的[layer.delegate displayer:])中使用子线程将所需要的内容绘制好，通过bitmap为layer.contents属性赋值

6、补充

Runloop在AFNetworking中的运用
AFNetworking在runloop启动前添加了一个NSMachPort，目的是为了runloop不退出。代码实现如下

- (NSThread *)networkRequestThread{
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}
- (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object{
    [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
    NSRunLoop *runloop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    [runloop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [runloop run];
}

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Runloop知识梳理

1、NSTimer

2、autoreleasePool

3、Runloop

4、事件

5、渲染

6、补充

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