IOS开发Runloop探究

刚刚开始学习IOS的时候，听说过Runloop但是一直不知道是什么东西，如何使用，最近在学习相关的知识，但是当我准备写一篇最近的学习心得的时候。发现了一位大牛写的文章，顿时放弃了自己总结的想法。但是这位大牛写的文章中，对于Runloop的使用范例只列举了AFNetworking中是如何使用的，所以我准备对Runloop的实际使用进行更多的举例。

RunLoop 的概念
一般来讲，一个线程一次只能执行一个任务，执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制，让线程能随时处理事件但并不退出，通常的代码逻辑是这样的：

function loop() {
    initialize();
    do {
        var message = get_next_message();
        process_message(message);
    } while (message != quit);
}

这种模型通常被称作 Event Loop。 Event Loop 在很多系统和框架里都有实现，比如 Node.js 的事件处理，比如 Windows 程序的消息循环，再比如 OSX/iOS 里的 RunLoop。实现这种模型的关键点在于：如何管理事件/消息，如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。
所以，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。
CFRunLoopRef 的代码是开源的，你可以在这里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz 下载到整个 CoreFoundation 的源码。为了方便跟踪和查看，你可以新建一个 Xcode 工程，把这堆源码拖进去看。

RunLoop 与线程的关系
首先，iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread。过去苹果有份文档标明了 NSThread 只是 pthread_t 的封装，但那份文档已经失效了，现在它们也有可能都是直接包装自最底层的 mach thread。苹果并没有提供这两个对象相互转换的接口，但不管怎么样，可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一对应的。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。
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()。 这两个函数内部的逻辑大概是下面这样:

/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;
  
/// 获取一个 pthread 对应的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
     
    if (!loopsDic) {
        // 第一次进入时，初始化全局Dic，并先为主线程创建一个 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
     
    /// 直接从 Dictionary 里获取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
     
    if (!loop) {
        /// 取不到时，创建一个
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注册一个回调，当线程销毁时，顺便也销毁其对应的 RunLoop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
     
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}
  
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
  
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

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）。

RunLoop 的内部逻辑
根据苹果在文档里的说明，RunLoop 内部的逻辑大致如下:

1432798974517485.png

其内部代码整理如下 （太长了不想看可以直接跳过去，后面会有说明）：

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
  
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
  
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
     
    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
     
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
     
    /// 内部函数，进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
         
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
  
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
             
            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
  
            /// 5. 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 (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
             
            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
             
            /// 7. 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
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
  
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
             
            /// 收到消息，处理消息。
            handle_msg:
  
            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
  
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
  
            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
             
            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
             
  
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// 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 (retVal == 0);
    }
     
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到，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。

Run Loop Modes

理解
Run Loop Mode就是流水线上支持生产的产品类型，流水线在一个时刻只能在一种模式下运行，生产某一类型的产品。消息事件就是订单。

Cocoa定义了四中Mode

Default：NSDefaultRunLoopMode，默认模式，在Run Loop没有指定Mode的时候，默认就跑在Default Mode下
Connection：NSConnectionReplyMode，用来监听处理网络请求NSConnection的事件
Modal：NSModalPanelRunLoopMode，OS X的Modal面板事件
Event tracking：UITrackingRunLoopMode，拖动事件
Common mode：NSRunLoopCommonModes，是一个模式集合，当绑定一个事件源到这个模式集合的时候就相当于绑定到了集合内的每一个模式

RunLoop可以通过[acceptInputForMode:beforeDate:]和[runMode:beforeDate:]来指定在一段时间内的运行模式。如果不指定的话，RunLoop默认会运行在Default下（不断重复调用runMode:NSDefaultRunLoopMode beforDate:）

在主线程启动一个计时器Timer，然后拖动UITableView或者UIScrollView，计时器不执行。这是因为，为了更好的用户体验，在主线程中Event tracking模式的优先级最高。在用户拖动控件时，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，因此系统不会立即执行Default Mode下接收的事件。解决方法：

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];

Run Loop特性

主线程的RunLoop在应用启动的时候就会自动创建
其他线程则需要在该线程下自己启动
不能自己创建RunLoop
RunLoop并不是线程安全的，所以需要避免在其他线程上调用当前线程的RunLoop
RunLoop负责管理autorelease pools
RunLoop负责处理消息事件，即输入源事件和计时器事件

Run Loop应用实践（一）

在一定时间内监听某种事件，或执行某种任务的线程
如下代码，在30分钟内，每隔30s执行onTimerFired:。这种场景一般会出现在，如我需要在应用启动之后，在一定时间内持续更新某项数据。

@autoreleasepool {
    NSRunLoop * runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    NSTimer * udpateTimer = [NSTimer timerWithTimeInterval:30
                                                    target:self
                                                  selector:@selector(onTimerFired:)
                                                  userInfo:nil
                                                   repeats:YES];
    [runLoop addTimer:udpateTimer forMode:NSRunLoopCommonModes];
    [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:60*30]];
}

AFNetworking中RunLoop的创建
+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    @autoreleasepool {
        [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];

        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
         // 这里主要是监听某个 port，目的是让这个 Thread 不会回收
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode]; 
        [runLoop run];
    }
}

+ (NSThread *)networkRequestThread {
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        _networkRequestThread =
        [[NSThread alloc] initWithTarget:self
                                selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:)
                                  object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}

创建常驻线程，执行一些会一直存在的任务。该线程的生命周期跟App相同
@autoreleasepool {
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLoop run];
}

文章中设计到的代码已经上传至github上

参考文章
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