RunLoop源码剖析---图解RunLoop

源码面前，了无秘密

前言

我们在iOS APP中的main函数如下：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

我们在macOS下的main函数如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

对比这两个程序：
1. iOS App启动后会一直运行，等待用户触摸、输入等，在接收到点击后，就会立即响应，完成本次响应后，会等待下次用户操作。只要用户不主动退出或者程序闪退，会一直在循环等待。
2. 而macOS下的命令行程序，启动后，执行程序，执行完毕后会立即退出。
两者最大的区别是：是否能持续响应用户输入

什么是RunLoop？

之所以，iOS App 能持续响应，保证程序运行状态，在于其有一个事件循环——Event Loop
事件循环机制，即线程能随时响应并处理事件的机制。这种机制要求线程不能退出，而且需要高效的完成事件调度与处理。
事件循环在很多编程语言，或者说不同的操作系统层面都支持。比如 JS中的事件循环、Windows下的消息循环，在 iOS/macOS 下，该机制就称为 RunLoop。

如果大家对上面的专业术语不太了解，下面我举一个生活中的

进程是一家工厂，线程是一个流水线，RunLoop就是流水线上的主管；当工厂接到商家的订单分配给这个流水线时，RunLoop就启动这个流水线，让流水线动起来，生产产品；当产品生产完毕时，RunLoop就会暂时停下流水线，节约资源。

RunLoop管理流水线，流水线才不会因为无所事事被工厂销毁；而不需要流水线时，就会辞退RunLoop这个主管，即退出线程，把所有资源释放。

事件循环在本质上是如下一个编程实现：

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

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。
下面我们用一张图来看看这个过程

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RunLoop的作用

在这里我会先简单介绍一下RunLoop的作用，有一个总体的印象，然后我会在后面仔细给大家介绍它的每个作用，和部分作用的一些应用场景。

保持程序持续运行，程序一启动就会开一个主线程，主线程一开起来就会跑一个主线程对应的RunLoop,RunLoop保证主线程不会被销毁，也就保证了程序的持续运行
处理App中的各种事件：
1. 定时器（Timer）、方法调用（PerformSelector）
2. GCD Async Main Queue
3. 事件响应、手势识别、界面刷新
4. 网络请求
5. 自动释放池 AutoreleasePool
节省CPU资源，提高程序性能，程序运行起来时，当什么操作都没有做的时候，RunLoop就告诉CUP，现在没有事情做，我要去休息，这时CUP就会将其资源释放出来去做其他的事情，当有事情做的时候RunLoop就会立马起来去做事情

RunLoop在何处开启？

我们还记得前言中那个main函数么？不记得也不要紧，我把它再次贴出来

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

我们知道主线程一开起来，就会跑一个和主线程对应的RunLoop，那么我们猜测RunLoop一定是在程序的入口main函数中开启。
我们进入UIApplicationMain

UIKIT_EXTERN int UIApplicationMain(int argc, char * _Nullable argv[_Nonnull], NSString * _Nullable principalClassName, NSString * _Nullable delegateClassName);

我们发现它返回的是一个int数，那么我们对main函数做一些修改

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"开始");
        int result = UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
        NSLog(@"结束");
        return result;
    }
}

运行程序，我们发现只会打印开始，并不会打印结束，这说明在UIApplicationMain函数中，开启了一个和主线程相关的RunLoop，导致UIApplicationMain不会返回，一直在运行中，也就保证了程序的持续运行。
下面我把上面几个点用一张图总结一下

外链图片转存失败(img-qNFvexsX-1567865643959)([https://tva1.sinaimg.cn/large/006y8mN6ly1g6npph9t50j315w0hkn2a.jpg)]

RunLoop对象

RunLoop对象的获取

我在前面提到过RunLoop其实也是一个对象，下面我们来介绍一下它

Fundation框架（基于CFRunLoopRef的封装）
NSRunLoop对象

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。

[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop];   // 获得主线程的RunLoop对象

CoreFoundation
CFRunLoopRef对象

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。

CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain();   // 获得主线程的RunLoop对象

我们通过一张图对上面知识的进行总结一下

外链图片转存失败(img-n9xjROyl-1567865643959)([https://tva1.sinaimg.cn/large/006y8mN6ly1g6nruzk6k6j316q0iojvf.jpg)]

我们来看看上面两个函数的底层实现

CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
    if (rl) return rl;
    return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    static CFRunLoopRef __main = NULL; // no retain needed
    if (!__main) 
      __main = _CFRunLoopGet0(pthread_main_thread_np()); // no CAS needed
    return __main;
}

我们发现不论是CFRunLoopGetCurrent()还是CFRunLoopGetMain()的底层实现都会调用一个_CFRunLoopGet0函数，那么这个函数到底是怎么实现的呢？我在这里先留一个悬念，我会在RunLoop和线程中仔细讲解。

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CFRunLoopRef对象源码剖析

由于NSRunLoop对象是基于CFRunLoopRef的，并且CFRunLoopRef是基于c语言的，线程安全，所以我们来分析一下CFRunLoopRef的源码

struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    __CFPort _wakeUpPort;   //通过该函数CFRunLoopWakeUp内核向该端口发送消息可以唤醒runloop
    Boolean _unused;
    volatile _per_run_data *_perRunData;            
    pthread_t _pthread;//RunLoop对应的线程
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;//存储的是字符串，记录所有标记为common的mode
    CFMutableSetRef _commonModeItems;//存储所有commonMode的item(source、timer、observer)
    CFRunLoopModeRef _currentMode;//当前运行的mode
    CFMutableSetRef _modes;//存储的是CFRunLoopModeRef
    struct _block_item *_blocks_head;//do blocks的时候用到
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFAbsoluteTime _runTime;
    CFAbsoluteTime _sleepTime;
    CFTypeRef _counterpart;
};

除了记录一些属性外，我们主要来看这两个成员变量

pthread_t _pthread;//RunLoop对应的线程
CFRunLoopModeRef _currentMode;//当前运行的mode
CFMutableSetRef _modes;//存储的是CFRunLoopModeRef

它为什么需要记录线程呢？加着上面的悬念，种种迹象都表明RunLoop和线程中有着千丝万缕的联系。我会在RunLoop和线程这一节中仔细讲解。
_currentMode和_modes又是什么东西呢？CFRunLoopModeRef其实是指向__CFRunLoopMode结构体的指针，所以RunLoop和Mode又有什么不可告人的秘密呢？我会在RunLoop的Mode这一节中仔细讲解

RunLoop和线程

在上面我们留下了两个问题，现在我们会在这一节中解释_CFRunLoopGet0这个函数是怎么实现的，和RunLoop和线程到底有什么关系。

首先我们看看_CFRunLoopGet0源码

// 全局的Dictionary，key是pthread_t， value是CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef __CFRunLoops = NULL;
// 访问__CFRunLoops的锁
static CFLock_t loopsLock = CFLockInit;

// 获取pthread 对应的 RunLoop。
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
    if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
        // pthread为空时，获取主线程
        t = pthread_main_thread_np();
    }

    __CFLock(&loopsLock);
    if (!__CFRunLoops) {
        __CFUnlock(&loopsLock);
        // 第一次进入时，创建一个临时字典dict
        CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
        // 根据传入的主线程获取主线程对应的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);
        //此处NULL和__CFRunLoops指针都指向NULL，匹配，所以将dict写到__CFRunLoops
        if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
            //释放dict
            CFRelease(dict);
        }
        //释放mainrunloop
        CFRelease(mainLoop);
        __CFLock(&loopsLock);
    }
    //以上说明，第一次进来的时候，不管是getMainRunloop还是get子线程的runloop，主线程的runloop总是会被创建

    // 从全局字典里获取对应的RunLoop
    CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    __CFUnlock(&loopsLock);
    if (!loop) {
        // 如果取不到，就创建一个新的RunLoop
        CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
        __CFLock(&loopsLock);
        loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
         // 创建好之后，以线程为key runloop为value，一对一存储在字典中，下次获取的时候，则直接返回字典内的runloop
        if (!loop) {
            //把newLoop存入字典__CFRunLoops，key是线程t
            CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
            loop = newLoop;
        }
        __CFUnlock(&loopsLock);
        CFRelease(newLoop);
    }

    //如果传入线程就是当前线程
    if (pthread_equal(t, pthread_self())) {
        _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoop, (void *)loop, NULL);
        if (0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr)) {
            //注册一个回调，当线程销毁时，销毁对应的RunLoop
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr, (void *)(PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1), (void (*)(void *))__CFFinalizeRunLoop);
        }
    }
    return loop;
}

通过以上代码我们可以得出一下结论
1. RunLoop是基于线程来管理的，它们一一对应，共同存储在一个全局区的runLoopDict中，线程是key，RunLoop是value。
2. RunLoop的创建：主线程所对应RunLoop在程序一启动创建主线程的时候系统就会自动为我们创建好，而子线程所对应的RunLoop并不是在子线程创建出来的时候就创建好的，而是在我们获取该子线程所对应的RunLoop时才创建出来的，换句话说，如果你不获取一个子线程的RunLoop，那么它的RunLoop就永远不会被创建。
3. RunLoop的获取：我们可以通过一个指定的线程从runLoopDict中获取它所对应的RunLoop。
4. RunLoop的销毁：系统在创建RunLoop的时候，会注册一个回调，确保线程在销毁的同时，也销毁掉其对应的RunLoop。
下面我用一张图来总结一下上面的源码

外链图片转存失败(img-cxOGhU2R-1567865643960)([https://tva1.sinaimg.cn/large/006y8mN6ly1g6ougsg565j310w0h4wgy.jpg)]

RunLoop的相关类

在上面一节我们介绍了RunLoop和线程的关系，在__CFRunLoop这个结构体中发现还有一个CFRunLoopModeRef类，这又是什么，在 CoreFoundation 里面还有没有关于 RunLoop的类呢？答案是肯定的，这也就是我们这一节所要介绍的重点

RunLoop的相关类之间关系

首先我们要知道RunLoop相关的类有5个
1. CFRunLoopRef
2. CFRunLoopModeRef
3. CFRunLoopSourceRef
4. CFRunLoopTimerRef
5. CFRunLoopObserverRef
那么每个类都是什么呢？
1. 第一个类我在前面已经剖析过了，它就是RunLoop对象所属于的类
2. CFRunLoopModeRef 是 RunLoop 当前的一个运行模式，什么是运行模式呢？我会在RunLoop和Mode这一节仔细讲解
3. CFRunLoopSourceRef和CFRunLoopTimerRef是RunLoop处理的消息类型
4. CFRunLoopObserverRef监听RunLoop运行状态的一个类
现在我们用一张图来看看各个类之间的关系

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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。
如果一个 mode中一个Source/Timer/Observer 都没有，则RunLoop会直接退出，不进入循环。

各个类的作用

我们已经知道了每个类是什么，现在我们需要了解一下每个类具体是干什么的
1. CFRunLoopRef是一个CFRunLoop结构体的指针，所以说它的职责就是CFRunLoop的职责，运行循环，处理事件，保持运行
2. CFRunLoopModeRef运行模式，模式下对应多个处理源,具体有哪些模式我会在RunLoop和Mode这一节仔细讲解
3. CFRunLoopSourceRef是事件产生的地方。Source有两个版本：Source0 和 Source1。
  1. Source0触摸事件处理
  2. Source1基于Port的线程见通信
4. CFRunLoopTimerRefNSTimer的运用
5. CFRunLoopObserverRef用于监听RunLoop的状态，UI刷新，自动释放池
下面我们用一张图来总结它的职责

image

RunLoop中的Mode

千呼万唤始出来，犹抱琵琶半遮面。在前面我们不止一次提到了这一节，可见这一节是多么的重要，那么现在我们就来给大家仔细讲解一下这一节到底有什么秘密，看完这节后希望前面的问题都能解决，并把相互之间的关系给链接起来，那么我们现在开始吧

首先我们要回顾一下在RunLoop的相关类之间关系这一节中所讲述的知识点和关系图，如果忘了请再次回到此处仔细阅读一遍，下面的讲解都给予你有了上面的基础。
那张图的重点就是一个RunLoop包含若干个Mode，每个Mode又包含若干个 Source/Timer/Observer。这句话真的是点晴之笔，一句话就把5个相关类的关系说的一清二楚。

CFRunLoopModeRef

__CFRunLoopMode源码剖析

CFRunLoopModeRef代表RunLoop的运行模式

typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;
struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;  
    CFStringRef _name;//mode名称，运行模式是通过名称来识别的
    Boolean _stopped;//mode是否被终止
    char _padding[3];
  //整个结构体最核心的部分
---------------------------------------------------------------------------------
    CFMutableSetRef _sources0;//sources0
    CFMutableSetRef _sources1;//sources1
    CFMutableArrayRef _observers;//观察者
    CFMutableArrayRef _timers;//定时器
---------------------------------------------------------------------------------
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap; //字典  key是mach_port_t，value是CFRunLoopSourceRef
    __CFPortSet _portSet;//保存所有需要监听的port，比如_wakeUpPort，_timerPort都保存在这个数组中
    CFIndex _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    dispatch_source_t _timerSource;
    dispatch_queue_t _queue;
    Boolean _timerFired; 
    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 */
};

一个CFRunLoopModeRef对象有一个name，若干source0，source1，timer，observer和port，可以看出事件都是由mode在管理，而RunLoop管理着Mode。
下面我们用一张图来总结一下

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__CFRunLoopMode的五种运行模式

系统默认注册的五个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

CommonModes

其中，需要着重说明的是，在 RunLoop 对象中，有一个叫 CommonModes 的概念。
先看 RunLoop 对象的组成：

//简化版本
struct __CFRunLoop {
    pthread_t _pthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;//存储的是字符串，记录所有标记为common的mode
    CFMutableSetRef _commonModeItems;//存储所有commonMode的item(source、timer、observer)
    CFRunLoopModeRef _currentMode;//当前运行的mode
    CFMutableSetRef _modes;//存储的是CFRunLoopModeRef对象，不同mode类型，它的mode名字不同
};

一个Mode可以将自己标记为Common属性，通过将其 ModeName 添加到 RunLoop 的 commonModes 中。那么添加进去之后的作用是什么？
每当 RunLoop 的内容发生变化时，RunLoop 都会自动将 _commonModeItems 里的 Source/Observer/Timer 同步到具有 Common标记的所有 Mode 里。其底层实现如下：

void CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName) {
    if (!CFSetContainsValue(rl->_commonModes, modeName)) {
        //获取所有的_commonModeItems
        CFSetRef set = rl->_commonModeItems ? CFSetCreateCopy(kCFAllocatorSystemDefault, rl->_commonModeItems) : NULL;
        //获取所有的_commonModes
        CFSetAddValue(rl->_commonModes, modeName);
        if (NULL != set) {
            CFTypeRef context[2] = {rl, modeName};
            // 将所有的_commonModeItems逐一添加到_commonModes里的每一个Mode
            CFSetApplyFunction(set, (__CFRunLoopAddItemsToCommonMode), (void *)context);
            CFRelease(set);
        }
    }
}

Mode API
CFRunLoop 对外暴露的管理Mode接口只有下面 2 个:

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);

什么是Mode Item？

从这个名字大概就能知道这是什么了？

Mode包含的元素

那么Mode到底包含哪些类型的元素呢？

RunLoop 需要处理的消息，包括 time 以及 source 消息，它们都属于 Mode item。
RunLoop 也可以被监听，被监听的对象是observer对象，也属于Mode item。
所有的 mode item 都可以被添加到 Mode 中，Mode 中包含可以包含多个 mode item，一个 item 可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。

Mode暴露的管理mode item 的接口有下面几个：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

你只能通过 mode name 来操作内部的 mode，当你传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时，RunLoop 会自动帮你创建对应的 CFRunLoopModeRef。对于一个 RunLoop 来说，其内部的 mode 只能增加不能删除。
苹果公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用这两个Mode Name 来操作其对应的 Mode。
同时苹果还提供了一个操作 Common 标记的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用这个字符串来操作 Common Items，或标记一个Mode 为 Common。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。
如下：

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

Mode之间的切换

我们平时在开发中一定遇到过，当我们使用NSTimer每一段时间执行一些事情时滑动UIScrollView，NSTimer就会暂停，当我们停止滑动以后，NSTimer又会重新恢复的情况，我们通过一段代码来看一下

注意⚠️：代码中的注释也很重要，展示了我们探索的过程

-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    // [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(show) userInfo:nil repeats:YES];
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(show) userInfo:nil repeats:YES];
    // 加入到RunLoop中才可以运行
    // 1\. 把定时器添加到RunLoop中，并且选择默认运行模式NSDefaultRunLoopMode = kCFRunLoopDefaultMode
    // [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    // 当textFiled滑动的时候，timer失效，停止滑动时，timer恢复
    // 原因：当textFiled滑动的时候，RunLoop的Mode会自动切换成UITrackingRunLoopMode模式，因此timer失效，当停止滑动，RunLoop又会切换回NSDefaultRunLoopMode模式，因此timer又会重新启动了

    // 2\. 当我们将timer添加到UITrackingRunLoopMode模式中，此时只有我们在滑动textField时timer才会运行
    // [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

    // 3\. 那个如何让timer在两个模式下都可以运行呢？
    // 3.1 在两个模式下都添加timer 是可以的，但是timer添加了两次，并不是同一个timer
    // 3.2 使用站位的运行模式 NSRunLoopCommonModes标记，凡是被打上NSRunLoopCommonModes标记的都可以运行，下面两种模式被打上标签
    //0 : {contents = "UITrackingRunLoopMode"}
    //2 : {contents = "kCFRunLoopDefaultMode"}
    // 因此也就是说如果我们使用NSRunLoopCommonModes，timer可以在UITrackingRunLoopMode，kCFRunLoopDefaultMode两种模式下运行
    [[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
    NSLog(@"%@",[NSRunLoop mainRunLoop]);
}
-(void)show
{
    NSLog(@"-------");
}

由上述代码可以看出，NSTimer不管用是因为Mode的切换，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。

CFRunLoopSourceRef

是事件产生的地方

首先我们来看看CFRunLoopSourceRef的源码

typedef struct __CFRunLoopSource * CFRunLoopSourceRef;
struct __CFRunLoopSource {
    CFRuntimeBase _base;
    uint32_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFIndex _order;//执行顺序
    CFMutableBagRef _runLoops;//包含多个RunLoop
    //版本
    union {
        CFRunLoopSourceContext version0;    /* immutable, except invalidation */
        CFRunLoopSourceContext1 version1;   /* immutable, except invalidation */
    } _context;
};

从上面我们可看见有两个版本：
1. 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。
2. 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。
下面我们用一张图来总结一下以上知识点

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CFRunLoopTimerRef

是基于时间的触发器

typedef struct __CFRunLoopTimer * CFRunLoopTimerRef;
struct __CFRunLoopTimer {
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFMutableSetRef _rlModes;//包含timer的mode集合
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;       /* immutable */
    CFTimeInterval _tolerance;          /* mutable */
    uint64_t _fireTSR;          /* TSR units */
    CFIndex _order;         /* immutable */
    CFRunLoopTimerCallBack _callout;//timer的回调
    CFRunLoopTimerContext _context;//上下文对象
};

CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器，它和 NSTimer 是 toll-free bridged 的，可以混用。其包含一个时间长度和一个回调（函数指针）。当其加入到 RunLoop 时，RunLoop 会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop 会被唤醒以执行那个回调。
下面我们用一张图来总结上面知识点

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CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。

typedef struct __CFRunLoopObserver * CFRunLoopObserverRef;
struct __CFRunLoopObserver {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;//监听的RunLoop
    CFIndex _rlCount;//添加该Observer的RunLoop对象个数
    CFOptionFlags _activities;      /* immutable */
    CFIndex _order;//同时间最多只能监听一个
    CFRunLoopObserverCallBack _callout;//监听的回调
    CFRunLoopObserverContext _context;//上下文用于内存管理
};

//观测的时间点有一下几个
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
};

下面我用一个例子来展示一下，监听示例

-(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
     */
    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);
}
2019-09-06 RunLoop醒来了
2019-09-06 RunLoop要处理Timers了
2019-09-06 RunLoop要处理Sources了
2019-09-06 RunLoop要处理Timers了
2019-09-06 RunLoop要处理Sources了
2019-09-06 RunLoop要休息了
2019-09-06 RunLoop醒来了

下面我们用一张图来总结我们上面的知识

image

RunLoop的内部逻辑

运行逻辑

image

可以看到，在 RunLoop 中，接收输入事件来自两种不同的来源：输入源（input source）和定时源（timer source）。

1.来源按同步异步分类

1.1 Input sources

输入源传递异步事件，通常消息来自于其他线程或程序，按照是否来源于内核也分为下面几种：

Port-Based Sources，基于 Port 的事件，系统底层的，一般由内核自动发出信号。例如 CFSocketRef ，在应用层基本用不到。
Custom Input Sources，非基于 Port 事件，用户手动创建的 Source，则必须从其他线程手动发送信号。
Cocoa Perform Selector Sources， Cocoa 提供的 performSelector 系列方法，也是一种事件源。和基于端口的源一样，执行 selector 请求会在目标线程上序列化，减缓许多在线程上允许多个方法容易引起的同步问题。不像基于端口的源，一个 selector 执行完后会自动从 Run Loop 里面移除。

1.2 Timer sources

定时源则传递同步事件，发生在特定时间或者重复的时间间隔。
定时器可以产生基于时间的通知，但它并不是实时机制。和输入源一样，定时器也和你的 Run Loop 的特定模式相关。如果定时器所在的模式当前未被 Run Loop 监视，那么定时器将不会开始直到 Run Loop 运行在相应的模式下。
其主要包含了两部分：
- NSTimer
- performSelector:withObject:afterDelay:

2.来源按对象分类

2.1 Source1

对应于 Port-Based Sources，即基于 Port 的，通过内核和其他线程通信。
常用于接收、分发系统事件，大部分屏幕交互事件都是由 Source1 接收，包装成 Event，然后分发下去，最后由 Source0 去处理。
所以，其包括：
- 基于 Port 的线程间通信；
- 系统事件捕捉；

2.2 Source0

是非 Port 事件。在应用中，触摸事件的最终处理，以及 perforSelector:onThread 都是包装成该类型对象，最后由开发者指定回调函数，手动处理该事件。
需要注意的是 perforSelector:onThread 是否有 delay，即是否延迟函数或者定时函数等类型。
perforSelector:onThread 不是 delay 函数时，是 Source0 事件。
performSelector:withObject:afterDelay 有 delay 时，则属于 Timers 事件。

所以，其包括：

触摸事件处理
performSelector:onThread

2.3 Timers

同上

源码详解

入口函数

// 共外部调用的公开的CFRunLoopRun方法，其内部会调用CFRunLoopRunSpecific
void CFRunLoopRun(void) {   /* DOES CALLOUT */
    int32_t result;
    do {
        // 调用RunLoop执行函数
        result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
        CHECK_FOR_FORK();
    } while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}

RunLoop执行函数

// 经过精简的 CFRunLoopRunSpecific 函数代码，其内部会调用__CFRunLoopRun函数
/*
 * 指定mode运行runloop
 * @param rl 当前运行的runloop
 * @param modeName 需要运行的mode的name
 * @param seconds  runloop的超时时间
 * @param returnAfterSourceHandled 是否处理完事件就返回
 */
SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) {
    CHECK_FOR_FORK();
    // RunLoop正在释放，完成返回
    if (__CFRunLoopIsDeallocating(rl)) return kCFRunLoopRunFinished;
    __CFRunLoopLock(rl);
        // 根据modeName 取出当前的运行Mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false
    // 如果没找到 || mode中没有注册任何事件，则就此停止，不进入循环                                           
    if (NULL == currentMode || __CFRunLoopModeIsEmpty(rl, currentMode, rl->_currentMode)) {
        Boolean did = false;
        if (currentMode) 
            __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
            __CFRunLoopUnlock(rl);
            return did ? kCFRunLoopRunHandledSource : kCFRunLoopRunFinished;
    }

    volatile _per_run_data *previousPerRun = __CFRunLoopPushPerRunData(rl
        //取上一次运行的mode
    CFRunLoopModeRef previousMode = rl->_currentMode;
    //如果本次mode和上次的mode一致                                                          
    rl->_currentMode = currentMode;
    //初始化一个result为kCFRunLoopRunFinished                                                                   
    int32_t result = kCFRunLoopRunFinished;

    if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry ) 
        // 1\. 通知 Observers: 进入RunLoop。                                                 
        __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);     
        // 2--11.RunLoop的运行循环的核心代码（这里为什么是2-11呢？请看下面源码）                                                
        result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);

    if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopExit ) 
        // 12\. 通知 Observers: 退出RunLoop                                               
        __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
        __CFRunLoopModeUnlock(currentMode);
        __CFRunLoopPopPerRunData(rl, previousPerRun);
        rl->_currentMode = previousMode;
    __CFRunLoopUnlock(rl);
    return result;
}

RunLoop消息处理函数

// 精简后的 __CFRunLoopRun函数，保留了主要代码
/**
 *  运行run loop
 *
 *  @param rl              运行的RunLoop对象
 *  @param rlm             运行的mode
 *  @param seconds         run loop超时时间
 *  @param stopAfterHandle true:run loop处理完事件就退出  false:一直运行直到超时或者被手动终止
 *  @param previousMode    上一次运行的mode
 *
 *  @return 返回4种状态
 */
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
    //获取系统启动后的CPU运行时间，用于控制超时时间
    uint64_t startTSR = mach_absolute_time();

    //如果RunLoop或者mode是stop状态，则直接return，不进入循环
    if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
        __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
        return kCFRunLoopRunStopped;
    } else if (rlm->_stopped) {
        rlm->_stopped = false;
        return kCFRunLoopRunStopped;
    }

    //mach端口，在内核中，消息在端口之间传递。 初始为0
    mach_port_name_t dispatchPort = MACH_PORT_NULL;
    //判断是否为主线程
    Boolean libdispatchQSafe = pthread_main_np() && ((HANDLE_DISPATCH_ON_BASE_INVOCATION_ONLY && NULL == previousMode) || (!HANDLE_DISPATCH_ON_BASE_INVOCATION_ONLY && 0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ)));
    //如果在主线程 && runloop是主线程的runloop && 该mode是commonMode，则给mach端口赋值为主线程收发消息的端口
    if (libdispatchQSafe && (CFRunLoopGetMain() == rl) && CFSetContainsValue(rl->_commonModes, rlm->_name)) dispatchPort = _dispatch_get_main_queue_port_4CF();

    #if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    mach_port_name_t modeQueuePort = MACH_PORT_NULL;
    if (rlm->_queue) {
        //mode赋值为dispatch端口_dispatch_runloop_root_queue_perform_4CF
        modeQueuePort = _dispatch_runloop_root_queue_get_port_4CF(rlm->_queue);
        if (!modeQueuePort) {
            CRASH("Unable to get port for run loop mode queue (%d)", -1);
        }
    }
#endif

    //GCD管理的定时器，用于实现runloop超时机制
    dispatch_source_t timeout_timer = NULL;
    struct __timeout_context *timeout_context = (struct __timeout_context *)malloc(sizeof(*timeout_context));

    //立即超时
    if (seconds <= 0.0) { // instant timeout
        seconds = 0.0;
        timeout_context->termTSR = 0ULL;
    }
    //seconds为超时时间，超时时执行__CFRunLoopTimeout函数
    else if (seconds <= TIMER_INTERVAL_LIMIT) {
        dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, DISPATCH_QUEUE_OVERCOMMIT);
        timeout_timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, queue);
        dispatch_retain(timeout_timer);
        timeout_context->ds = timeout_timer;
        timeout_context->rl = (CFRunLoopRef)CFRetain(rl);
        timeout_context->termTSR = startTSR + __CFTimeIntervalToTSR(seconds);
        dispatch_set_context(timeout_timer, timeout_context); // source gets ownership of context
        dispatch_source_set_event_handler_f(timeout_timer, __CFRunLoopTimeout);
        dispatch_source_set_cancel_handler_f(timeout_timer, __CFRunLoopTimeoutCancel);
        uint64_t ns_at = (uint64_t)((__CFTSRToTimeInterval(startTSR) + seconds) * 1000000000ULL);
        dispatch_source_set_timer(timeout_timer, dispatch_time(1, ns_at), DISPATCH_TIME_FOREVER, 1000ULL);
        dispatch_resume(timeout_timer);
    }
    //永不超时
    else { // infinite timeout
        seconds = 9999999999.0;
        timeout_context->termTSR = UINT64_MAX;
    }

    //标志位默认为true
    Boolean didDispatchPortLastTime = true;
    //记录最后runloop状态，用于return
    int32_t retVal = 0;
    do {
        //初始化一个存放内核消息的缓冲池
        uint8_t msg_buffer[3 * 1024];
        mach_msg_header_t *msg = NULL;
        mach_port_t livePort = MACH_PORT_NULL;

        //取所有需要监听的port
        __CFPortSet waitSet = rlm->_portSet;

        //设置RunLoop为可以被唤醒状态
        __CFRunLoopUnsetIgnoreWakeUps(rl);

        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers)
            // 2\. 通知 Observers: RunLoop 即将处理 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources)
            // 3\. 通知 Observers: RunLoop 即将处理 Source
            __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
        // 4\. 处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);

        // 5\. 处理 Source0 (非port) 回调(可能再次处理Blocks)
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        if (sourceHandledThisLoop) {
            // 处理Blocks
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        }

        //如果没有Sources0事件处理 并且 没有超时，poll为false
        //如果有Sources0事件处理 或者 超时，poll都为true
        Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0ULL == timeout_context->termTSR);

        //第一次do..whil循环不会走该分支，因为didDispatchPortLastTime初始化是true
        if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
            // 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。
            //从缓冲区读取消息
            msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
            //接收dispatchPort端口的消息，（接收source1事件）
            if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, 0, &voucherState, NULL)) {
                //如果接收到了消息的话，前往第9步开始处理msg
                goto handle_msg;
            }
        }

        didDispatchPortLastTime = false;

        if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting))
            // 7\. 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            __CFRunLoopSetSleeping(rl);
        CFAbsoluteTime sleepStart = poll ? 0.0 : CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        do {
            msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
            // 8\. RunLoop开始休眠：等待消息唤醒，调用 mach_msg 等待接收 mach_port 的消息。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, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY, &voucherState, &voucherCopy);
        } while (1);

        __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting))
            // 9\. 通知 Observers: RunLoop 结束休眠（被某个消息唤醒）
            __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
        // 收到消息，处理消息。
    handle_msg:;
        __CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(rl);

        if (MACH_PORT_NULL == livePort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_NOTHING();
            // handle nothing
            //通过CFRunloopWake唤醒
        } else if (livePort == rl->_wakeUpPort) {
            //什么都不干，跳回2重新循环
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_WAKEUP();
        } else if (rlm->_timerPort != MACH_PORT_NULL && livePort == rlm->_timerPort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
            // 9.1 处理Timer：如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())) {
                __CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
            }
        } else if (livePort == dispatchPort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_DISPATCH();
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyIsInGCDMainQ, (void *)6, NULL);
            // 9.2 处理GCD Async To Main Queue：如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
        } else {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_SOURCE();
            voucher_t previousVoucher = _CFSetTSD(__CFTSDKeyMachMessageHasVoucher, (void *)voucherCopy, os_release);
            CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);
            if (rls) {
                mach_msg_header_t *reply = NULL;
                // 9.3 处理Source1：如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply) || sourceHandledThisLoop;
                if (NULL != reply) {
                    (void)mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply->msgh_size, 0, MACH_PORT_NULL, 0, MACH_PORT_NULL);
                    CFAllocatorDeallocate(kCFAllocatorSystemDefault, reply);
                }
            }
        }
        // 10\. 处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);

        // 11\. 根据前面的处理结果，决定流程
        // 11.1 当下面情况发生时，退出RunLoop
        if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
            retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
        } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
            // 11.1.1 超出传入参数标记的超时时间了
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
        } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
            // 11.1.2 当前RunLoop已经被外部调用者强制停止了
            __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;
        } else if (rlm->_stopped) {
            // 11.1.3 当前运行模式已经被停止
            rlm->_stopped = false;
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;
        } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
            // 11.1.4 source/timer/observer一个都没有了
            retVal = kCFRunLoopRunFinished;
        }
        voucher_mach_msg_revert(voucherState);
        os_release(voucherCopy);
        // 11.2 如果没超时，mode里不为空也没停止，loop也没被停止，那继续loop。
    } while (0 == retVal);

    return retVal;
}

消息处理底层函数

当 RunLoop 进行回调时，一般都是通过一个很长的函数调用出去(call out)，当你在你的代码中下断点调试时，打印堆栈（bt），就能在调用栈上看到这些函数。
下面是这几个函数的整理版本，如果你在调用栈中看到这些长函数名，在这里查找一下就能定位到具体的调用地点了：

{
    // 1\. 通知 Observers: 进入RunLoop。
    // 此处有Observer会创建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);

    // 2\. 通知 Observers: RunLoop 即将处理 Timer 回调。   
__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);

    // 3\. 通知 Observers: RunLoop 即将处理 Source
 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
    // 4\. 处理Blocks
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

    // 5\. 处理 Source0 (非port) 回调(可能再次处理Blocks)
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

    // 7\. 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
    /// 此处有Observer释放并新建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); _objc_autoreleasePoolPush();
 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting);

    // 8\. RunLoop开始休眠：等待消息唤醒，调用 mach_msg 等待接收 mach_port 的消息。
    mach_msg() -> mach_msg_trap();

    // 9\. 通知 Observers: RunLoop 结束休眠（被某个消息唤醒）
 __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);

    // 9.1 处理Timer：如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);

    // 9.2 处理GCD Async To Main Queue：如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
    __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);

    // 9.3 处理Source1：如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);

    // 10\. 处理Blocks
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

    // 12\. 通知 Observers: 退出RunLoop
    // 此处有Observer释放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

休眠的实现

代码逻辑图

将上面的代码逻辑抽取下面得到如下：
- 黄色：表示通知 Observer 各个阶段；
- 蓝色：处理消息的逻辑；
- 绿色：分支判断逻辑；

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代码流程图

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RunLoop的应用

常驻线程

常驻线程的作用：我们知道，当子线程中的任务执行完毕之后就被销毁了，那么如果我们需要开启一个子线程，在程序运行过程中永远都存在，那么我们就会面临一个问题，如何让子线程永远活着，这时就要用到常驻线程：给子线程开启一个RunLoop注意：子线程执行完操作之后就会立即释放，即使我们使用强引用引用子线程使子线程不被释放，也不能给子线程再次添加操作，或者再次开启。
子线程开启RunLoop的代码，先点击屏幕开启子线程并开启子线程RunLoop，然后点击button。

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()
@property(nonatomic,strong)NSThread *thread;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
}
-(void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
   // 创建子线程并开启
    NSThread *thread = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(show) object:nil];
    self.thread = thread;
    [thread start];
}
-(void)show
{
    // 注意：打印方法一定要在RunLoop创建开始运行之前，如果在RunLoop跑起来之后打印，RunLoop先运行起来，已经在跑圈了就出不来了，进入死循环也就无法执行后面的操作了。
    // 但是此时点击Button还是有操作的，因为Button是在RunLoop跑起来之后加入到子线程的，当Button加入到子线程RunLoop就会跑起来
    NSLog(@"%s",__func__);
    // 1.创建子线程相关的RunLoop，在子线程中创建即可，并且RunLoop中要至少有一个Timer 或 一个Source 保证RunLoop不会因为空转而退出，因此在创建的时候直接加入
    // 添加Source [NSMachPort port] 添加一个端口
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    // 添加一个Timer
    NSTimer *timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(test) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];    
    //创建监听者
    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
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
    // 2.子线程需要开启RunLoop
    [[NSRunLoop currentRunLoop]run];
    CFRelease(observer);
}
- (IBAction)btnClick:(id)sender {
    [self performSelector:@selector(test) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}
-(void)test
{
    NSLog(@"%@",[NSThread currentThread]);
}
@end

注意：创建子线程相关的RunLoop，在子线程中创建即可，并且RunLoop中要至少有一个Timer 或一个Source 保证RunLoop不会因为空转而退出，因此在创建的时候直接加入，如果没有加入Timer或者Source，或者只加入一个监听者，运行程序会崩溃

NSTimer

1. 定时器的使用

定时器，在开发中一般使用 NSTimer，可以产生基于时间的通知，但它并不是实时机制。和输入源一样，定时器也 RunLoop 的特定模式相关。如果定时器所在的模式当前未被 RunLoop 监视，那么定时器并不会被调用。
NSTimer 就是基于 runLoop 在运行的, 当它被添加到runLoop 之后,runLoop 就会根据它的时间间隔来注册相应的时间点, 到时间点之后 timer 就会唤醒 runLoop 来触发 timer 指定的事件. 因此在使用 timer 的时候我们必须先把 timer 添加到 runLoop 中, 并且还得添加到 runLoop 的指定模式中, 它才能起作用, 否则它是不起作用的.
NSTimer 有两种创建方式。

// a. timerWithTimeInterval
+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats block:(void (^)(NSTimer *timer))block;

// b. scheduledTimerWithTimeInterval
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval repeats:(BOOL)repeats block:(void (^)(NSTimer *timer))block;

其中，方式 a，仅仅创建，并返回，如果要是的 NSTimer 被调用，需要手动 RunLoop。

// 方式1：创建timer，手动添加到default mode，滑动时定时器停止
static int count = 0;
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
    NSLog(@"%d", ++count);
}];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode: NSDefaultRunLoopMode];

方式 b，创建一个定时器之外, 还会把创建的这个定时器自动添加到当前线程的 runLoop 下, 并且是添加到了 runloop 的 defaultMode 下.

//     方式2：创建timer默认添加到default mode，滑动时定时器停止
    static int count = 0;
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        NSLog(@"%d", ++count);
    }];

这种方式下，不用再往 mode 里添加，也能正常调用 Timer。

2. 滑动时失效

在上面创建 NSTimer 的方式中，不管方式 a，还是 b，假如页面在滑动 ScrollView 时，定时器都会停止调用。
因为在滑动 ScrollView 时，RunLoop 处于 UITrackingRunLoopMode 运行模式下，该模式中如果不手动添加对应的 Timer，是不会有定时器的，所以在滑动时，也就不会调用定时器的回调。
那么，解决方式，就是将定时器，添加到 UITrackingRunLoopMode 下。

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

或者利用之前的 Common Mode。

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

3. 不准时

一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 这几个时间点。RunLoop 为了节省资源，并不会在非常准确的时间点回调这个 Timer。Timer 有个属性叫做 Tolerance (宽容度)，标示了当时间点到后，容许有多少最大误差。
如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则那个时间点的回调也会跳过去，不会延后执行。就比如等公交，如果 10:10 时我忙着玩手机错过了那个点的公交，那我只能等 10:20 这一趟了。
CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器（但实际实现原理更复杂，和 NSTimer 并不一样，其内部实际是操作了一个 Source）。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务，那其中就会有一帧被跳过去（和 NSTimer 相似），造成界面卡顿的感觉。

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 ()。

observers = (
    // activities = 0x1，监听的是Entry
    "{valid = Yes, activities = 0x1, repeats = Yes, order = -2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x1138221b1), context = {type = mutable-small, count = 1, values = (\n\t0 : <0x7ff6e6002058>\n)}}",
    "{valid = Yes, activities = 0xa0, repeats = Yes, order = 2147483647, callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler (0x1138221b1), context = {type = mutable-small, count = 1, values = (\n\t0 : <0x7ff6e6002058>\n)}}"
),

在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer 回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不必显示创建Pool 了。

第一个Observer 会监听 Entry（即将进入 Loop），其回调内会调用 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 BeforeWaiting（准备进入休眠）和 Exit（即将退出 Loop）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。
- 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。

当然你如果需要显式释放，例如循环，可以自己创建AutoreleasePool，否则一般不需要自己创建。

事件响应

苹果注册了一个 Source1 (基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback ()。
当一个硬件事件 (触摸 / 锁屏 / 摇晃等) 发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。这个过程的详细情况可以参考这里。SpringBoard 只接收按键 (锁屏 / 静音等)，触摸，加速，接近传感器等几种 Event，随后用 mach port 转发给需要的 App 进程。随后苹果注册的那个 Source1 就会触发回调，并调用_UIApplicationHandleEventQueue () 进行应用内部的分发。
_UIApplicationHandleEventQueue () 会把 IOHIDEvent 处理并包装成UIEvent 进行处理或分发，其中包括识别 UIGesture / 处理屏幕旋转 / 发送给 UIWindow 等。通常事件比如UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在这个回调中完成的。
比如，UIButton 点击事件，通过 Source1 接收后，包装成 Event，最后进行分发是由 Source0 事件回调来处理的。

手势识别

"{valid = Yes, activities = 0x20, repeats = Yes, order = 0, callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver (0x1133f4473), context = }"

当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue () 识别了一个手势时，其首先会调用 Cancel 将当前的 touchesBegin/Move/End 系列回调打断。随后系统将对应的 UIGestureRecognizer 标记为待处理。
苹果注册了一个 Observer 监测 BeforeWaiting（Loop 即将进入休眠）事件，这个 Observer的回调函数是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver ()，其内部会获取所有刚被标记为待处理的 GestureRecognizer，并执行 GestureRecognizer 的回调。
当有 UIGestureRecognizer 的变化 (创建 / 销毁 / 状态改变) 时，这个回调都会进行相应处理。

界面更新

"{valid = Yes, activities = 0xa0, repeats = Yes, order = 2000000, callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv (0x1152506ae), context = }"

当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay 方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。
苹果注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting（即将进入休眠）和 Exit （即将退出 Loop）事件，回调去执行一个很长的函数：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个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。
这个函数内部的调用栈大概是这样的：

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()
    QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback:
        CA::Transaction::commit();
            CA::Context::commit_transaction();
                CA::Layer::layout_and_display_if_needed();
                    CA::Layer::layout_if_needed();
                        [CALayer layoutSublayers];
                            [UIView layoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                        [CALayer display];
                            [UIView drawRect];

通常情况下这种方式是完美的，因为除了系统的更新，以及 setNeedsDisplay 等方法手动触发下一次 RunLoop 运行的更新。但是如果当前正在执行大量的逻辑运算可能 UI 的更新就会比较卡，因此 facebook 推出了 AsyncDisplayKit 来解决这个问题。AsyncDisplayKit 其实是将 UI 排版和绘制运算尽可能放到后台，将 UI 的最终更新操作放到主线程（这一步也必须在主线程完成），同时提供一套类 UIView 或 CALayer 的相关属性，尽可能保证开发者的开发习惯。这个过程中 AsyncDisplayKit 在主线程 RunLoop 中增加了一个 Observer 监听即将进入休眠和退出 RunLoop 两种状态，收到回调时遍历队列中的待处理任务一一执行。

PerformSelecter

perforSelector 有下面三类：

// 1.和RunLoop不相干，底层直接调用objc_sendMsg方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
// 2\. 和RunLoop相关，封装成Source0事件，依赖于RunLoop，若线程无对应的RunLoop，会调用objc_sendMsg执行
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
// 3\. 和RunLoop相关，封装成Timers事件
- (void)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)anArgument afterDelay:(NSTimeInterval)delay;

在苹果开源的 objc 源码，我们从 NSObject.mm 得到如下源码：

- (id)performSelector:(SEL)sel {
    if (!sel) [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    return ((id(*)(id, SEL))objc_msgSend)(self, sel);
}

- (id)performSelector:(SEL)sel withObject:(id)obj {
    if (!sel) [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    return ((id(*)(id, SEL, id))objc_msgSend)(self, sel, obj);
}

从源码可以直接看出，在不包含 delay 时，其直接调用 objc_msgSend，与 RunLoop 无关。
但是，找不到 - (void) performSelector: withObject: afterDelay: 的源码。苹果并没有开源。
我们通过 GNUstep 项目，找到该方法的 Foundation 的源码。

- (void) performSelector: (SEL)aSelector
          withObject: (id)argument
          afterDelay: (NSTimeInterval)seconds
{
  NSRunLoop     *loop = [NSRunLoop currentRunLoop];
  GSTimedPerformer  *item;
  item = [[GSTimedPerformer alloc] initWithSelector: aSelector
                         target: self
                       argument: argument
                          delay: seconds];
  [[loop _timedPerformers] addObject: item];
  RELEASE(item);
  [loop addTimer: item->timer forMode: NSDefaultRunLoopMode];
}
// GSTimedPerformer对象
@interface GSTimedPerformer: NSObject
{
@public
  SEL       selector;
  id        target;
  id        argument;
  NSTimer   *timer;
}

其实本质上，是转换为一个包含 NSTimer 定时器的 GSTimedPerformer 对象，实质上是个 Timers 事件，添加到 RunLoop 中。

注意：GNUstep 项目只是一个开源实现，其实现和苹果实现大部分一致，所以可参考性很强，但并不是完全一致。

关于 GCD

在 RunLoop 的源代码中可以看到用到了 GCD 的相关内容，但是 RunLoop 本身和 GCD 并没有直接的关系。
当调用了 dispatch_async (dispatch_get_main_queue (), <#^(void) block#>) 时 libDispatch 会向主线程 RunLoop 发送消息唤醒RunLoop，RunLoop 从消息中获取 block，并且在 CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE 回调里执行这个 block。
不过这个操作仅限于主线程，其他线程 dispatch 操作是全部由 libDispatch驱动的。

原文链接：https://www.jianshu.com/p/5ebe96acfe84

iOS RunLoop详解

RunLoop源码剖析---图解RunLoop

前言

什么是RunLoop？

RunLoop的作用

RunLoop在何处开启？

RunLoop对象

RunLoop对象的获取

CFRunLoopRef对象源码剖析

RunLoop和线程

RunLoop的相关类

RunLoop的相关类之间关系

各个类的作用

RunLoop中的Mode

CFRunLoopModeRef

__CFRunLoopMode源码剖析

__CFRunLoopMode的五种运行模式

CommonModes

什么是Mode Item？

Mode之间的切换

CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopObserverRef

RunLoop的内部逻辑

运行逻辑

1.来源按同步异步分类

1.1 Input sources

1.2 Timer sources

2.来源按对象分类

2.1 Source1

2.2 Source0

2.3 Timers

源码详解

入口函数

RunLoop执行函数

RunLoop消息处理函数

消息处理底层函数

休眠的实现

代码逻辑图

代码流程图

RunLoop的应用

常驻线程

NSTimer

1. 定时器的使用

2. 滑动时失效

3. 不准时

AutoreleasePool

事件响应

手势识别

界面更新

PerformSelecter

关于 GCD

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