iOS底层原理 - 探寻RunLoop本质（一）

面试题引发的思考：

Q: RunLoop内部实现逻辑？

RunLoop运行逻辑

Q: 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；
• 主线程的RunLoop自动创建，子线程的RunLoop需要手动创建；
• RunLoop在第一次获取线程时创建，在线程结束时销毁。

Q: timer与RunLoop的关系？

• timer运行在RunLoop里，相当于RunLoop来控制timer何时执行。

Q: RunLoop 是怎么响应用户操作的， 具体流程是什么样的？

• 先由Source1捕捉触摸事件，然后由Source0去处理触摸事件。

Q: RunLoop有哪几种状态？

RunLoop状态

Q: RunLoop的mode作用是什么？

• 把不同模式下的Source0/Source1/Timer/Observer隔离开来，互不影响，会使程序在当前模式下流畅运行。

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1. RunLoop简介

(1) RunLoop概念

RunLoop顾名思义，运行循环，在程序运行过程中循环做一些事情：

• 如果没有RunLoop程序执行完毕就会立即退出；
• 如果有RunLoop程序并不会马上退出，而是保持运行状态，等待处理程序的各种事件；
• RunLoop可以保持程序的持续运行，在没有事件处理的时候使程序进入休眠模式，从而节省CPU资源，提高程序性能。

没有RunLoop

代码如上：没有RunLoop，执行完第14行代码后，会立即退出程序。

有RunLoop

代码如上：有RunLoop，程序并不会马上退出，而是保持运行状态。

其伪代码如下：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int result = 0;
        do {
            // 睡眠中等待消息
            int message = sleep_and_wait();
            // 处理消息
            result = process_message(message);
        } while (result == 0);
        return 0;
    }
}

RunLoop确实是do while通过判断result的值实现的。因此，我们可以把RunLoop看成一个死循环。

(2) RunLoop应用

RunLoop应用范畴：

• 定时器（Timer）、PerformSelector
• GCD Async Main Queue
• 事件响应、手势识别、界面刷新
• 网络请求
• AutoreleasePool

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2. RunLoop相关概念

(1) RunLoop对象

• iOS中有2套API来访问和使用RunLoop
• Foundation：NSRunLoop
• Core Foundation：CFRunLoopRef
• NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象
• NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装
• CFRunLoopRef 源码是开源的

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 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
}

(2) RunLoop与线程

• 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；
• 主线程的RunLoop自动创建，子线程的Runloop需要手动创建；
• RunLoop在第一次获取线程时创建，在线程结束时销毁。

以上结论都可以由以下相关源码总结得出：

CFRunLoopGetCurrent函数

CFRunLoopGetCurrent调用_CFRunLoopGet0：

_CFRunLoopGet0函数

(3) RunLoop相关的类

Core Foundation中关于RunLoop的5个类：

• CFRunLoopRef：获得当前RunLoop和主RunLoop
• CFRunLoopModeRef：运行模式
• CFRunLoopSourceRef：事件源，输入源
• CFRunLoopTimerRef：定时器时间
• CFRunLoopObserverRef：观察者

由相关源码可知：

CFRunLoop结构体

CFRunLoopMode结构体

由以上代码可以得出RunLoop五个类直接的对应关系：

对应关系

• 一个RunLoop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
• 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。

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• Source0： 触摸事件处理、performSelector:onThread:
• Source1： 基于Port的线程间通信、系统事件捕捉
• Timers： NSTimer、performSelector:withObject:afterDelay:
• Observers： 用于监听RunLoop的状态、UI刷新（BeforeWaiting）、Autorelease pool（BeforeWaiting）

1> CFRunLoopModeRef

常见的2种Mode：

• 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

2> CFRunLoopObserverRef

RunLoop的Observer状态类型如下：

RunLoop状态

监听RunLoop状态：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.

    // 创建observer
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        switch (activity) {
            case kCFRunLoopEntry: {
                CFRunLoopMode mode = CFRunLoopCopyCurrentMode(CFRunLoopGetCurrent());
                NSLog(@"kCFRunLoopEntry - %@", mode);
                CFRelease(mode);
                break;
            }
            case kCFRunLoopExit: {
                CFRunLoopMode mode = CFRunLoopCopyCurrentMode(CFRunLoopGetCurrent());
                NSLog(@"kCFRunLoopExit - %@", mode);
                CFRelease(mode);
                break;
            }
            default:
                break;
        }
    });
    // 添加observer到RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
    // 释放
    CFRelease(observer);
}

在ViewController放一个UITextView控件，运行程序之后，滑动控件，查看打印结果：

打印结果

由打印结果可知：

• 控件开始滚动时，先退出kCFRunLoopDefaultMode，然后进入UITrackingRunLoopMode；
• 控件停止滚动时，先退出UITrackingRunLoopMode，然后进入kCFRunLoopDefaultMode。

如此便产生了模式的切换。

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3. RunLoop运行逻辑

(1) 官方文档解读

由苹果官方文档可知RunLoop的运行逻辑如下：

RunLoop运行逻辑

由以上图例可知：
RunLoop在运行循环过程中，接收到Input sources或者Timer sources时会通过对应处理方式处理；没有事件消息传入的时候，就会使程序处于休眠状态。

(2) 源码解读

下面通过源码解读RunLoop底层实现。

RunLoop入口函数

首先通过运行程序断点可以知道RunLoop入口函数为CFRunLoopRunSpecific函数。

对相关源码进行简化，以便解读RunLoop底层实现：

RunLoop底层实现

RunLoop底层实现代码流程图如下：

RunLoop运行逻辑

(3) 特殊要点 GCD相关

一般GCD是有自己的处理逻辑，不依赖RunLoop实现；
GCD有一种特殊情况，需要交给RunLoop进行处理：

GCD特殊情况依赖RunLoop

(4) RunLoop休眠的实现原理

由RunLoop底层实现可知：

RunLoop休眠

RunLoop是通过__CFRunLoopServiceMachPort函数来休眠的：

__CFRunLoopServiceMachPort函数

__CFRunLoopServiceMachPort函数主要方法为mach_msg函数，mach_msg是内核层面的API，这是程序真正达到休眠的方式。

那么RunLoop休眠的实现原理如下：

RunLoop休眠的实现原理

RunLoop在用户态调用mach_msg()时，会自动转到内核态，调用内核态的mach_msg()，达到真正休眠的目的：
没有消息就让线程休眠；有消息就唤醒线程，回到用户态处理消息。