NSRunLoop底层原理详解

NSRunLoop

原文博客地址: NSRunLoop底层原理详解
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

image

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

image

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:

定义输入源（数据结构）
将输入源添加到runloop，那么这样就有了接受者，即为R1
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 *)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 *)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 *)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:

image

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

image

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;
}

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

image

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 *)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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