RunLoop
参考：
https://www.cnblogs.com/kenshincui/p/6823841.html
https://www.jianshu.com/p/b9426458fcf6
http://www.cocoachina.com/ios/20150601/11970.html
一、RunLoop概念
通常所说的RunLoop指的是NSRunloop或者CFRunloopRef，CFRunloopRef是纯C的函数，而NSRunloop仅仅是CFRunloopRef的OC封装，并未提供额外的其他功能，苹果已经开源了CoreFoundation源代码，因此很容易找到CFRunloop源代码。http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz
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。
- CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架内的，它提供了纯 C 函数的 API，所有这些 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。
二、开源的RunloopRef
_CFRunLoopRun内部其实是一个_do while循环，这也正是Runloop运行的本质。执行了这个函数以后就一直处于“等待-处理”的循环之中，直到循环结束。只是不同于我们自己写的循环它在休眠时几乎不会占用系统资源，当然这是由于系统内核负责实现的，也是Runloop精华所在。
下图描述了Runloop运行流程：
CFRunLoopRef和CFRunloopMode、CFRunLoopSourceRef/CFRunloopTimerRef/CFRunLoopObserverRef关系如下图：
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。
1.Runloop Mode
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 run loop
pthread_t _pthread;
uint32_t _winthread;
CFMutableSetRef _commonModes;
CFMutableSetRef _commonModeItems;
CFRunLoopModeRef _currentMode;
CFMutableSetRef _modes;
struct _block_item *_blocks_head;
struct _block_item *_blocks_tail;
CFTypeRef _counterpart;
};
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 */
};系统默认提供的Run Loop Modes有kCFRunLoopDefaultMode(NSDefaultRunLoopMode)和UITrackingRunLoopMode，需要切换到对应的Mode时只需要传入对应的名称即可。前者是系统默认的Runloop Mode，例如进入iOS程序默认不做任何操作就处于这种Mode中，此时滑动UIScrollView，主线程就切换Runloop到到UITrackingRunLoopMode，不再接受其他事件操作（除非你将其他Source/Timer设置到UITrackingRunLoopMode下）。
但是对于开发者而言经常用到的Mode还有一个kCFRunLoopCommonModes（NSRunLoopCommonModes）,其实这个并不是某种具体的Mode，而是一种模式组合，在iOS系统中默认包含了
NSDefaultRunLoopMode和 UITrackingRunLoopMode（注意：并不是说Runloop会运行在kCFRunLoopCommonModes这种模式下，而是相当于分别注册了 NSDefaultRunLoopMode和 UITrackingRunLoopMode。当然你也可以通过调用CFRunLoopAddCommonMode()方法将自定义Mode放到 kCFRunLoopCommonModes组合）。
2.Source
首先看一下官方Runloop结构图（注意下图的Input Source Port和前面流程图中的Source0并不对应，而是对应Source1。Source1和Timer都属于端口事件源，不同的是所有的Timer都共用一个端口“Mode Timer Port”，而每个Source1都有不同的对应端口）：
再结合前面RunLoop核心运行流程可以看出Source0(负责App内部事件，由App负责管理触发，例如UITouch事件)和Timer（又叫Timer Source，基于时间的触发器，上层对应NSTimer）是两个不同的Runloop事件源（当然Source0是Input Source中的一类，Input Source还包括Custom Input Source，由其他线程手动发出），RunLoop被这些事件唤醒之后就会处理并调用事件处理方法（CFRunLoopTimerRef的回调指针和CFRunLoopSourceRef均包含对应的回调指针）。
但是对于CFRunLoopSourceRef除了Source0之外还有另一个版本就是Source1，Source1除了包含回调指针外包含一个mach port，和Source0需要手动触发不同，Source1可以监听系统端口和其他线程相互发送消息，它能够主动唤醒RunLoop(由操作系统内核进行管理，例如CFMessagePort消息)。
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。
3.Observer
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 */
};相对来说CFRunloopObserverRef理解起来并不复杂，它相当于消息循环中的一个监听器，随时通知外部当前RunLoop的运行状态（它包含一个函数指针callout将当前状态及时告诉观察者）。具体的Observer状态如下：
/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 进入RunLoop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即将开始Timer处理
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将开始Source处理
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), //从休眠状态唤醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7), //退出RunLoop
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};4.Call out
在开发过程中几乎所有的操作都是通过Call out进行回调的(无论是Observer的状态通知还是Timer、Source的处理)，而系统在回调时通常使用如下几个函数进行回调(换句话说你的代码其实最终都是通过下面几个函数来负责调用的，即使你自己监听Observer也会先调用下面的函数然后间接通知你，所以在调用堆栈中经常看到这些函数)：
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__();
static void __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__();例如在控制器的touchBegin中打入断点查看堆栈（由于UIEvent是Source0，所以可以看到一个Source0的Call out函数CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION调用）：
5.RunLoop休眠
其实对于Event Loop而言RunLoop最核心的事情就是保证线程在没有消息时休眠以避免占用系统资源，有消息时能够及时唤醒。RunLoop的这个机制完全依靠系统内核来完成，具体来说是苹果操作系统核心组件Darwin中的Mach来完成的（Darwin是开源的）。可以从下图最底层Kernel中找到Mach：
Mach是Darwin的核心，可以说是内核的核心，提供了进程间通信（IPC）、处理器调度等基础服务。在Mach中，进程、线程间的通信是以消息的方式来完成的，消息在两个Port之间进行传递（这也正是Source1之所以称之为Port-based Source的原因，因为它就是依靠系统发送消息到指定的Port来触发的）。消息的发送和接收使用
/*
* Routine: mach_msg
* Purpose:
* Send and/or receive a message. If the message operation
* is interrupted, and the user did not request an indication
* of that fact, then restart the appropriate parts of the
* operation silently (trap version does not restart).
*/
__WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED
extern 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);
而mach_msg()的本质是一个调用mach_msg_trap(),这相当于一个系统调用，会触发内核状态切换。当程序静止时，RunLoop停留在__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy),而这个函数内部就是调用了mach_msg让程序处于休眠状态。
三、RunLoop 与线程的关系
1.主线程相关联的RunLoop创建
// 创建字典
CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
// 创建主线程 根据传入的主线程创建主线程对应的RunLoop
CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
// 保存主线程 将主线程-key和RunLoop-Value保存到字典中
CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);2、创建与子线程相关联的RunLoop
// 从字典中获取子线程的runloop
CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops,pthreadPointer(t));
__CFUnlock(&loopsLock);
if (!loop) {
// 如果子线程的runloop不存在,那么就为该线程创建一个对应的runloop
CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
__CFLock(&loopsLock);
loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
// 把当前子线程和对应的runloop保存到字典中
if (!loop) {
CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
loop = newLoop;
}
// don't release run loops inside the loopsLock, because
CFRunLoopDeallocate may end up taking it
__CFUnlock(&loopsLock);
CFRelease(newLoop);
}Runloop是基于pthread进行管理的，pthread是基于c的跨平台多线程操作底层API。它是mach thread的上层封装，和NSThread一一对应（而NSThread是一套面向对象的API，所以在iOS开发中我们也几乎不用直接使用pthread）。比如，你可以通过 pthread_main_np() 或 [NSThread mainThread] 来获取主线程；也可以通过 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 来获取当前线程。CFRunLoop 是基于 pthread 来管理的。
从上面的代码可以看出，线程和 RunLoop 之间是一一对应的，其关系是保存在一个 Dictionary 里。所以我们创建子线程RunLoop时，只需在子线程中获取当前线程的RunLoop对象即可[NSRunLoop currentRunLoop];如果不获取，那子线程就不会创建与之相关联的RunLoop，并且只能在一个线程的内部获取其 RunLoop。
[NSRunLoop currentRunLoop];方法调用时，会先看一下字典里有没有存子线程相对用的RunLoop，如果有则直接返回RunLoop，如果没有则会创建一个，并将与之对应的子线程存入字典中。
RunLoop 的销毁发生在线程结束时。
iOS开发过程中对于开发者而言更多的使用的是NSRunloop,它默认提供了三个常用的run方法：
- (void)run;
- (BOOL)runMode:(NSRunLoopMode)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate;
- (void)runUntilDate:(NSDate *)limitDate;- run方法对应上面CFRunloopRef中的CFRunLoopRun并不会退出，除非调用CFRunLoopStop();通常如果想要永远不会退出RunLoop才会使用此方法，否则可以使用runUntilDate。
- runMode:beforeDate:只执行一次，执行完就退出；通常用于手动控制RunLoop（例如在while循环中）。
- runUntilDate:执行完并不会退出，继续下一次RunLoop直到timeout。
四、RunLoop实例
1、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()。
0x6080001246a0 [0x101f81df0]>{valid = Yes, activities = 0x1, repeats = Yes, order = -2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x1020e07ce), context = 0x60800004cae0 [0x101f81df0]>{type = mutable-small, count = 0, values = ()}}
'' 0x608000124420 [0x101f81df0]>{valid = Yes, activities = 0xa0, repeats = Yes, order = 2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x1020e07ce), context = 0x60800004cae0 [0x101f81df0]>{type = mutable-small, count = 0, values = ()}} 第一个Observer会监听RunLoop的进入，它会回调objc_autoreleasePoolPush()向当前的AutoreleasePoolPage增加一个哨兵对象标志创建自动释放池。这个Observer的order是-2147483647优先级最高，确保发生在所有回调操作之前。
第二个Observer会监听RunLoop的进入休眠和即将退出RunLoop两种状态，在即将进入休眠时会调用objc_autoreleasePoolPop() 和 objc_autoreleasePoolPush() 根据情况从最新加入的对象一直往前清理直到遇到哨兵对象。而在即将退出RunLoop时会调用objc_autoreleasePoolPop() 释放自动自动释放池内对象。这个Observer的order是2147483647，优先级最低，确保发生在所有回调操作之后。
2.UI更新
当UI改变（ Frame变化、 UIView/CALayer 的继承结构变化等）时，或手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理。
苹果注册了一个用来监听BeforeWaiting和Exit的Observer，在它的回调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。