RunLoop

RunLoop 的概念 :
RunLoop 实际上就是一个对象，这个对象管理了其需要处理的事件和消息，并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后，就会一直处于这个函数内部 "接受消息->等待->处理" 的循环中，直到这个循环结束（比如传入 quit 的消息），函数返回。
OSX/iOS 系统中，提供了两个这样的对象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。
RunLoop 与线程的关系 :
iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread
苹果不允许直接创建 RunLoop，它只提供了两个自动获取的函数：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()
线程和 RunLoop 之间是一一对应的，其关系是保存在一个全局的 Dictionary 里。线程刚创建时并没有 RunLoop，如果你不主动获取，那它一直都不会有。RunLoop 的创建是发生在第一次获取时，RunLoop 的销毁是发生在线程结束时。你只能在一个线程的内部获取其 RunLoop（主线程除外）。
主线程的Run Loop在应用启动的时候就会自动创建，而其他自己创建的线程则需要在该线程下显式地调用[NSRunLoop currentRunLoop]，假如该线程还没有 Runloop 的话，系统会自动创建一个返回。你不能自己去创建一个Run Loop。需要注意的是Run Loop并非线程安全的，所以需要避免在其他线程上调用当前线程的Run Loop。
RunLoop 对外的接口 :
在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:CFRunLoopRef、CFRunLoopModeRef、CFRunLoopSourceRef、CFRunLoopTimerRef、CFRunLoopObserverRef
一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。每次调用 RunLoop 的主函数时，只能指定其中一个 Mode，这个Mode被称作 CurrentMode。如果需要切换 Mode，只能退出 Loop，再重新指定一个 Mode 进入。这样做主要是为了分隔开不同组的 Source/Timer/Observer，让其互不影响。
CFRunLoopSourceRef 是事件产生的地方。Source有两个版本：Source0 和 Source1。
Source0 只包含了一个回调（函数指针），它并不能主动触发事件。使用时，你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个 Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop，让其处理这个事件。
Source1 包含了一个 mach_port 和一个回调（函数指针），被用于通过内核和其他线程相互发送消息。这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程，其原理在下面会讲到。
Source0 是直接添加给 RunLoop 处理的事件，而 Source1 是基于端口的，进程或线程之间传递消息触发的事件。
CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含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，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调。
CFRunLoopObserverRef 是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。
上面的 Source/Timer/Observer 被统称为 mode item，一个 item 可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。

RunLoop 的 CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的结构大致如下 ：

  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
      ...
  };

RunLoop 的 Mode :
CommonModes ：一个 Mode 可以将自己标记为"Common"属性（通过将其 ModeName 添加到 RunLoop 的 "commonModes" 中）。每当 RunLoop 的内容发生变化时，RunLoop 都会自动将 _commonModeItems 里的 Source/Observer/Timer 同步到具有 "Common" 标记的所有Mode里。
苹果公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。
同时苹果还提供了一个操作 Common 标记的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用这个字符串来操作 Common Items，或标记一个 Mode 为 "Common"。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。
Cocoa 定义了四种 Mode：
Default：NSDefaultRunLoopMode (Cocoa) kCFRunLoopDefaultMode (Core Foundation)，默认的模式，在Run Loop没有指定Mode的时候，默认就跑在Default Mode下；
Connection：NSConnectionReplyMode (Cocoa)，用来监听处理网络请求NSConnection的事件；
Modal：NSModalPanelRunLoopMode (Cocoa)，OS X的Modal面板事件。
Event tracking：UITrackingRunLoopMode(iOS) NSEventTrackingRunLoopMode (Cocoa)，用户鼠标触碰的拖动事件；
Common modes：NSRunLoopCommonModes (Cocoa) kCFRunLoopCommonModes (Core Foundation)。可以配置的通用模式(通过方法CFRunLoopAddCommonMode来配置添加其他需要支持的模式)，在Cocoa中，默认包含了Default、Modal和Event tracking的模式，而在Core Foundation中，只包含了Default模式；
RunLoop 的内部逻辑 ：

RunLoop内部逻辑.png

实际上 RunLoop 就是这样一个函数，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。
调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
* 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
RunLoop 的底层实现 ：
线程和进程之间的通讯是基于 mach port 传递消息实现的，这也是 RunLoop 的核心。有必要了解一下 mach port， OSX/iOS 的系统架构分为 4 层，从外到内为应用层，应用框架层，核心框架层，Darwin。应用层包括用户能接触到的图形应用，应用框架层即开发人员接触到的 Cocoa 等框架，核心框架层包括各种核心框架、OpenGL 等内容，Darwin 即操作系统的核心，包括系统内核、驱动、Shell 等内容。
在硬件层上面的三个组成部分：Mach、BSD、IOKit，共同组成了 XNU 内核。XNU 内核的内环被称作 Mach，其作为一个微内核，仅提供了诸如处理器调度、IPC (进程间通信)等非常少量的基础服务。
在 Mach 中，进程、线程和虚拟内存都被称为"对象"。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 中的对象通过一个 Mach 端口发送一个消息，消息中会携带目标端口，这个消息会从用户空间传递到内核空间，再由内核空间传递到目标端口，实现线程或进程之间的通讯。（也就是线程或进程之间的通讯不能绕过系统内核）。目标端口接收到消息，因为 RunLoop 会对 mach_port 端口源进行监听，如果 RunLoop 此时处于休眠状态，则被唤醒，便可以处理已经接收到消息的 source1 事件。
RunLoop 的核心是基于 mach port 的，其进入休眠时调用的函数是 mach_msg()
RunLoop 的核心就是一个 mach_msg() ，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。
苹果用 RunLoop 实现的功能 ：
系统默认注册了5个Mode:

kCFRunLoopDefaultMode: App的默认 Mode，通常主线程是在这个 Mode 下运行的。
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。
UIInitializationRunLoopMode: 在刚启动 App 时第进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用。
GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。
kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位的 Mode，没有实际作用。

AutoreleasePool

App启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()（因为需要设置不同的优先级，所以注册两个。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，用来创建自动释放池，且设置的优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回
之前。

第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时去释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时释放自动释放池。这个 Observer 的优先级最低，保证其释放池子发生在其所有回调之后。

在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer 回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏。

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。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() 进行应用内部的事件传递。

_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。

手势识别

当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时，其首先会调用 Cancel 将当前的 touchesBegin/Move/End 系列回调打断。随后系统将对应的 UIGestureRecognizer 标记为待处理。

苹果注册了一个 Observer 监测 BeforeWaiting (Loop即将进入休眠) 事件，这个 Observer 的回调函数是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其内部会获取所有刚被标记为待处理的 GestureRecognizer，并执行 GestureRecognizer 的回调。

当有 UIGestureRecognizer 的变化(创建/销毁/状态改变)时，这个回调都会进行相应处理。

界面更新``

当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay 方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。

苹果注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting(即将进入休眠) 和 Exit (即将退出Loop) 事件，回调去执行一个很长的函数：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个函数里会遍历所有待处理的 UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。也就是 UI 是在界面 RunLoop 休眠之前更新的，所以如果想在 UI 更新之后做一些事情，可以注册一个 Observer 监听 kCFRunLoopAfterWaiting(刚从休眠中唤醒)。

定时器

NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef，他们之间是 toll-free bridged 的。一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 这几个时间点。RunLoop为了节省资源，并不会在非常准确的时间点回调这个Timer。Timer 有个属性叫做 Tolerance (宽容度)，标示了当时间点到后，容许有多少最大误差。

如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则那个时间点的回调也会跳过去，不会延后执行。

CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器（但实际实现原理更复杂，和 NSTimer 并不一样，其内部实际是操作了一个 Source）。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务，那其中就会有一帧被跳过去（和 NSTimer 相似），造成界面卡顿的感觉。

PerformSelecter

当调用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 后，实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop，则这个方法会失效。

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

关于GCD

当调用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 时，libDispatch 会向主线程的 RunLoop 发送消息，RunLoop 会被唤醒，并从消息中取得这个 block，并在回调 CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE() 里执行这个 block。但这个逻辑仅限于 dispatch 到主线程，dispatch 到其他线程仍然是由 libDispatch 处理的。

关于网络请求

iOS 中，关于网络请求的接口自下至上有如下几层:

       CFSocket
       CFNetwork       ->ASIHttpRequest
       NSURLConnection ->AFNetworking
       NSURLSession    ->AFNetworking2, Alamofire

通常使用 NSURLConnection 时，你会传入一个 Delegate，当调用了 [connection start] 后，这个 Delegate 就会不停收到事件回调。实际上，start 这个函数的内部会会获取 CurrentRunLoop，然后在其中的 DefaultMode 添加了多个需要手动触发的 Source0。

当开始网络传输时，NSURLConnection 创建了两个新线程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 线程是处理底层 socket 连接的。NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 基于 mach port 的 Source1 接收来自底层 CFSocket 的消息，当收到消息后，其会在合适的时机将 Source0 标记为待处理，同时唤醒 Delegate 线程的 RunLoop 来让其处理 Source0。完成一个由 CFSocket 线程到网络请求所在线程的数据处理。

RunLoop 的实际应用举例 ：
AFNetworking

AFURLConnectionOperation 这个类是基于 NSURLConnection 构建的，其希望能在后台线程接收 Delegate 回调。为此 AFNetworking 创建了一个线程，并在这个线程中启动了一个 RunLoop，RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Observer/Source，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。只是为了让 RunLoop 不至于退出，并没有用于实际的发送消息。当需要这个后台线程执行网络请求任务时，AFNetworking 通过调用 [NSObject performSelector:onThread:..] 将这个任务扔到了该线程的 RunLoop 中。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架，其原理大致如下：

UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿，这类任务通常分为3类：排版，绘制，UI对象操作。

排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。

绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。

UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。

其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行，而最后一类操作只能在主线程完成，并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果（例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小）。ASDK 所做的，就是尽量将能放入后台的任务放入后台，不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。

为此，ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode 的对象，并在内部封装了 UIView/CALayer，它具有和 UIView/CALayer 相似的属性，例如 frame、backgroundColor 等。所有这些属性都可以在后台线程更改，开发者可以只通过 Node 来操作其内部的 UIView/CALayer，这样就可以将排版和绘制放入了后台线程。但是无论怎么操作，这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式，实现了一套类似的界面更新的机制：即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer，监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回调时，遍历所有之前放入队列的待处理的任务（需要将 Node 的属性同步到主线程的 UIView/CALayer 去的任务），然后一一执行。

Run Loop没有添加任何输入源事件或Timer事件，会立刻返回，这样的话，线程其实是一直在无限循环空转中，虽然是让线程长驻不退出，但会一直占用着CPU的时间片，而没有实现资源的合理分配；在其他线程发送一个事件给该线程，系统会自动为Run Loop添加对应输入源或者Timer，让Run Loop正常运行。也可以手动添加输入源或者Timer来让Run Loop正常运行。添加了输入源或Timer事件的Run Loop在没有事件需要处理时，会让线程进行休眠，而不会占用着CPU的时间片。
而对于没有While循环直接使用Run Loop，而且没有添加输入源或Timer的线程，那么线程会直接完成并进入死亡状态，被系统回收。

正确的使用方法应如下：

      - (void)main
      {
          NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
          [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
          while (!self.isCancelled && !self.isFinished) {
              @autoreleasepool {
                  [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:3]];
              }
          }
      }

注意，Run Loop的每个循环必须加上@autoreleasepool，用于释放每个循环结束后不再需要的内存。

Run Loop可以通过[acceptInputForMode:beforeDate:]和[runMode:beforeDate:]来指定在一时间之内运行模式。假如不指定的话，Run Loop默认会运行在Default模式下（不断重复调用runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:...）。

在Run Loop模式中我们经常会遇到的一个问题是，在主线程，启动了一个计时器Timer，然后将手指放在一个UITableView或者UIScrollView上拖动时，计时器到了时间也不会执行。这是因为，为了更好的用户体验，在主线程中定义了Event tracking模式的优先级是最高的。当用户在拖动一个控件时，主线程的Run Loop是运行在Event tracking Mode下，而创建的Timer是默认关联为Default Mode，因此线程不会立刻执行Default Mode下接收的事件。解决的方法是：

      NSTimer * timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0
                                                             target:self
                                                           selector:@selector(timerFireMethod:)
                                                           userInfo:nil
                                                            repeats:YES];
          [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
          //或 [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];
      [timer fire];

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