一.Runloop是什么
通俗点来说，我们有一个线程，当我们需要它处理事件时，它要随时启动，我们不需要它时，它要随时待命，如果我们每次运行完毕之后这个线程直接关闭了，下一次运行需要再重新创建一个新的线程，那无疑会大大的消耗CPU的性能。因此我们就需要一种机制，让线程随时待命，执行任务完毕进入休眠状态，等待下一次唤醒，在macOS和iOS系统中，就是通过Runloop来对线程进行管理的。
二.Runloop的基本作用
1.保证程序的持续运行，程序一启动就会创建主线程，主线程一开始执行就会创建对应的Runloop，保证线程不会被销毁，使其平稳运行。
2.处理APP中的各种事件，比如我们的触摸事件，定时器事件，selector事件。
3.节省CPU资源，提高程序性能，当程序运行起来的时候，线程没有接收到任何任务，其对应的Runloop就会告知CPU，我现在没事可做，我要去休息，当有事件产生时，需要这个线程去执行，Runloop就会立刻告之其所对应的线程去执行任务。
从图中我们可以看到，当有事件产生，或者定时器方法需要执行时，Runloop就会将对应的任务安排给相应的处理方去执行。
三.Runloop基本源码
我们先来看一下Runloop的基本执行源码
void CFRunLoopRun(void) { /* DOES CALLOUT */
int32_t result;
do {
result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
CHECK_FOR_FORK();
} while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}
这段源码就是一个非常简单的do-while循环，CFRunLoopRun会根据result来判断是否要继续执行下去，当result为停止或者结束时，Runloop便会跳出循环，否则就会继续执行。
四.Runloop对象
Runloop在Cocoa Foundation中是NSRunLoop对象，而在Core Foundation中则是 CFRunLoopRef对象，我们解读的源码是CFRunLoopRef，Runloop的代码是开源的，可以前往苹果官网的地址进行下载：https://opensource.apple.com/tarballs/
如何获取Runloop对象呢？苹果是不允许直接创建Runloop对象的，但是给我们提供了相应的方法获取线程的Runloop对象
Foundation
[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的RunLoop对象
Core Foundation
CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的RunLoop对象
五.线程与Runloop的关系
以前苹果的多线程有两种pthread_t和 NSThread，pthread_t和 NSThread是一一对应的。比如，你可以通过 pthread_main_thread_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。我们先看一下Runloop的源码。
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
t = pthread_main_thread_np();
}
__CFLock(&loopsLock);
//程序第一次进来判断是否存在runloop
if (!__CFRunLoops) {
//不存在runloop
__CFUnlock(&loopsLock);
//创建一个字典，用于管理保存线程以及其对应的runloop
CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
//使用主线程创建一个主循环（mainLoop）
CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
//为字典赋值，主线程为字典的key，runloop为字典的value
CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
CFRelease(dict);
}
CFRelease(mainLoop);
__CFLock(&loopsLock);
}
//从字典中获取runloop，使用传进来的线程作为key来获取
CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
__CFUnlock(&loopsLock);
//如果没取到runloop
if (!loop) {
//新建一个runloop
CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
__CFLock(&loopsLock);
loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
if (!loop) {
//新建runloop成功，将runloop存入字典
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);
}
if (pthread_equal(t, pthread_self())) {
_CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoop, (void *)loop, NULL);
if (0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr)) {
_CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr, (void *)(PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1), (void (*)(void *))__CFFinalizeRunLoop);
}
}
return loop;
}
通过源码可以得出以下结论，每条线程都有一个与之一一对应的Runloop，线程和Runloop会保存在一个全局字典里，系统会自动创建主线程的Runloop，子线程的Runloop则需要手动创建，通过[NSRunLoop currentRunLoop]，Runloop在获取时创建，在线程结束时销毁。
六.Runloop的结构体
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;
CFAbsoluteTime _runTime;
CFAbsoluteTime _sleepTime;
CFTypeRef _counterpart;
};
其实很多我们平时难以理解的概念，一旦进入到结构体层面去分析就会变得很好理解，比如Block原理，分类为什么不能添加属性等问题，去看一下相关源码立刻就会恍然大悟，因此我个人在学习的时候也很热衷于阅读相关源码，那么现在就让我们来看一下Runloop的结构体。
先来看一下关键的成员变量
CFRunLoopModeRef _currentMode;
CFMutableSetRef _modes;
CFRunLoopModeRef其实是指向__CFRunLoopMode结构体的指针，我们再看一下CFRunLoopMode的结构体
typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;
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 */
};
照例筛选出最关键的几个成员变量
CFMutableSetRef _sources0;
CFMutableSetRef _sources1;
CFMutableArrayRef _observers;
CFMutableArrayRef _timers;
Runloop在进行运行的时候是会选择对应模式的，也就是__CFRunLoopMode，每个Mode又有对应的source0/source1/observers/timers，每次Runloop运行的时候只能选择一个Mode作为currentMode。
六.source0/source1/observers/timers
1.source0:处理的是App内部的事件、App自己负责管理，如按钮点击事件等。
2.source1:由RunLoop和内核管理，Mach Port驱动，如CFMachPort、CFMessagePort。
我们可以通过点击事件验证一下
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
UITouch * touch = touches.anyObject;//获取触摸对象
NSLog(@"%@",@(touch.tapCount));//短时间内的点击次数
}
在点击方法中打断点，然后在控制台输入bt即可看到完整的堆栈信息
同样的performSelector也会触发source0，我们用代码验证一下
[self performSelectorOnMainThread:@selector(test) withObject:nil waitUntilDone:YES];
在test方法中打断点，控制台输入bt查看堆栈信息
再来看一下timer的验证，调用NSTimer方法
[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:3.0 repeats:NO block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
NSLog(@"NSTimer ---- timer调用了");
}];
控制台验证
Observer：告知外界RunLoop状态的更改
七.Runloop相关类以及作用
在Runloop的.h文件中我们可以看到，声明了四个类
typedef struct __CFRunLoop * CFRunLoopRef;
typedef struct __CFRunLoopSource * CFRunLoopSourceRef;
typedef struct __CFRunLoopObserver * CFRunLoopObserverRef;
typedef struct CF_BRIDGED_MUTABLE_TYPE(NSTimer) __CFRunLoopTimer * CFRunLoopTimerRef;
而CFRunloop中又包含有一个关键的Mode类
typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;
这五个类就是Runloop实现的最关键的类，我们分别来说一下他们的作用
- CFRunLoopModeRef，这个代表了
Runloop的运行模式，一个Runloop包含若干个Mode，每个Mode又包含若干Source，Timer，Observer，每次Runloop启动时，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RunLoop，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。如果Mode里没有任何Source0/Source1/Timer/Observer，RunLoop会立马退出。
一个Mode可以有多个Source，Observer，Timer。但是必须有一个Source或者Timer，不然Mode为空，Runloop会直接退出。
系统默认注册了5个Mode
1. kCFRunLoopDefaultMode：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行
2. 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
3. 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，会切换到kCFRunLoopDefaultMode
4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到
5. kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位用的Mode，作为标记kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode用，并不是一种真正的Mode
有一个老生常谈的问题，我们使用NSTimer定时器，每隔一段时间执行一些事件，在这个过程中我们滑动ScrollView，定时器是会收到影响的。
因为如果我们在主线程使用定时器，此时RunLoop的Mode为kCFRunLoopDefaultMode，即定时器属于kCFRunLoopDefaultMode，那么此时我们滑动ScrollView时，RunLoop的Mode会切换到UITrackingRunLoopMode，因此在主线程的定时器就不在管用了，调用的方法也就不再执行了，当我们停止滑动时，RunLoop的Mode切换回kCFRunLoopDefaultMode，所以NSTimer就又管用了。
如果我们希望在滑动界面时，计时器仍然有效，我们指定Runloop的模式为kCFRunLoopCommonModes即可，因为kCFRunLoopCommonModes包含kCFRunLoopDefaultMode，kCFRunLoopDefaultMode。
- CFRunLoopObserverRef是用来观察
Runloop运行状态的类，看一下它的相关代码
-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
//创建监听者
/*
第一个参数 CFAllocatorRef allocator：分配存储空间 CFAllocatorGetDefault()默认分配
第二个参数 CFOptionFlags activities：要监听的状态 kCFRunLoopAllActivities 监听所有状态
第三个参数 Boolean repeats：YES:持续监听 NO:不持续
第四个参数 CFIndex order：优先级，一般填0即可
第五个参数 ：回调 两个参数observer:监听者 activity:监听的事件
*/
/*
所有事件
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即将进入RunLoop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即将处理Timer
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理Source
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), //即将进入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),// 刚从休眠中唤醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7),// 即将退出RunLoop
kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};
*/
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
switch (activity) {
case kCFRunLoopEntry:
NSLog(@"RunLoop进入");
break;
case kCFRunLoopBeforeTimers:
NSLog(@"RunLoop要处理Timers了");
break;
case kCFRunLoopBeforeSources:
NSLog(@"RunLoop要处理Sources了");
break;
case kCFRunLoopBeforeWaiting:
NSLog(@"RunLoop要休息了");
break;
case kCFRunLoopAfterWaiting:
NSLog(@"RunLoop醒来了");
break;
case kCFRunLoopExit:
NSLog(@"RunLoop退出了");
break;
default:
break;
}
});
// 给RunLoop添加监听者
/*
第一个参数 CFRunLoopRef rl：要监听哪个RunLoop,这里监听的是主线程的RunLoop
第二个参数 CFRunLoopObserverRef observer 监听者
第三个参数 CFStringRef mode 要监听RunLoop在哪种运行模式下的状态
*/
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
/*
CF的内存管理（Core Foundation）
凡是带有Create、Copy、Retain等字眼的函数，创建出来的对象，都需要在最后做一次release
GCD本来在iOS6.0之前也是需要我们释放的，6.0之后GCD已经纳入到了ARC中，所以我们不需要管了
*/
CFRelease(observer);
}
我们来看一下控制台的输出
可以看到Observer可以监听Runloop的运行流程。
八.Runloop的处理逻辑
先来看看Runloop的简化版源码，我们分成几个部分，一步一步的看
//这个是Runloop的外部函数，内部会调用底层的CFRunLoopRunSpecific方法
void CFRunLoopRun(void) { /* DOES CALLOUT */
int32_t result;
do {
result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
CHECK_FOR_FORK();
} while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}
接下来我们再看一下CFRunLoopRunSpecific方法
// 经过精简的 CFRunLoopRunSpecific 函数代码，其内部会调用__CFRunLoopRun函数
SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) { /* DOES CALLOUT */
// 通知Observers : 进入Loop
// __CFRunLoopDoObservers内部会调用 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__
函数
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
// 核心的Loop逻辑
result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
// 通知Observers : 退出Loop
if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopExit ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
return result;
}
CFRunLoopRunSpecific函数中最关键的__CFRunLoopRun函数源码
// 精简后的 __CFRunLoopRun函数，保留了主要代码
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
int32_t retVal = 0;
do {
// 通知Observers：即将处理Timers
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
// 通知Observers：即将处理Sources
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
// 处理Blocks
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
// 处理Sources0
if (__CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle)) {
// 处理Blocks
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
}
// 如果有Sources1，就跳转到handle_msg标记处
if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
goto handle_msg;
}
// 通知Observers：即将休眠
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
// 进入休眠，等待其他消息唤醒
__CFRunLoopSetSleeping(rl);
__CFPortSetInsert(dispatchPort, waitSet);
do {
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
} while (1);
// 醒来
__CFPortSetRemove(dispatchPort, waitSet);
__CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
// 通知Observers：已经唤醒
__CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
handle_msg: // 看看是谁唤醒了RunLoop，进行相应的处理
if (被Timer唤醒的) {
// 处理Timer
__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time());
}
else if (被GCD唤醒的) {
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
} else { // 被Sources1唤醒的
__CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply);
}
// 执行Blocks
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
// 根据之前的执行结果，来决定怎么做，为retVal赋相应的值
if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
} else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
} else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
__CFRunLoopUnsetStopped(rl);
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (rlm->_stopped) {
rlm->_stopped = false;
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
retVal = kCFRunLoopRunFinished;
}
} while (0 == retVal);
return retVal;
}
九.Runloop的应用
（1）AFNetworking：在子线程中的任务都执行完毕之后，子线程就会被销毁，但是我们遇到一些情况，希望这个线程在程序运行的过程中一直存在，就比如AFN，网络在运行期间当然要一直存在，因此AFNetworking中就使用了一个方式，使线程一直保持存在状态。
+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
@autoreleasepool {
[[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
[runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[runLoop run];
}
（2）自动释放池：RunLoop内部有一个自动释放池，当RunLoop开启时，就会自动创建一个自动释放池，当RunLoop在休息之前会释放掉自动释放池的东西，然后重新创建一个新的空的自动释放池，当RunLoop被唤醒重新开始跑圈时，Timer,Source等新的事件就会放到新的自动释放池中，当RunLoop退出的时候也会被释放。
注意：只有主线程的RunLoop会默认启动。也就意味着会自动创建自动释放池，子线程需要在线程调度方法中手动添加自动释放池。
参考文章：iOS底层原理总结，深入理解RunLoop