参考

深入理解RunLoop

深入研究 Runloop 与线程保活

RunLoop分享by孙源

RunLoop的概念

RunLoop是一个机制，让线程能随时处理事件但并不退出。这种机制实现的关键点在于：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。

iOS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。

Runloop和线程之间的关系

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）。主线程的RunLoop是一直运行的，RunLoop在执行完任务后会进入休眠，等待下一次启动。

RunLoop的组成

• Timer
  • 理解的Timer
• Source（RunLoop数据源的抽象类protocol）
  • Source0：处理App内部时间，App自己负责触发（UIEvent、CFSocket）
  • Source1：由RunLoop和mach内核管理，由mach-port驱动
• Observer
  • 许多机制都由Observer来触发
    • 例如CAAnimation，在afterwaiting收集完所有animation后才执行动画

RunLoop的Mode

• NSDefaultRunLoopMode（kCFRunLoopDefaultMode）：App的默认 Mode，通常主线程是在这个 Mode 下运行的
• 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
• 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（iOS不公开提供）
• NSRunLoopCommonModes（kCFRunLoopCommonModes）：Mode集合（iOS不公开提供）
• GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到

RunLoop只能运行在一个mode下，如果要换mode，当前的loop也需要停下重启成新的。

例如：ScrollView滚动过程中NSDefaultRunLoopMode（kCFRunLoopDefaultMode）的mode会切换到UITrackingRunLoopMode来保证ScrollView的流畅滑动，如果我们把一个NSTimer对象以NSDefaultRunLoopMode（kCFRunLoopDefaultMode）添加到主运行循环中的时候, ScrollView滚动过程中会因为mode的切换，而导致NSTimer将不再被调度，解决方案是将timer添加到NSRunLoopCommonModes（kCFRunLoopCommonModes）中或者另起线程避免mode切换来解决。

RunLoop内部逻辑

RunLoop 内部的大致逻辑

RunLoop 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。

RunLoop的底层实现

RunLoop 的核心是基于 mach port 的

iOS的内核是Mach，在 Mach 中，所有的东西都是通过自己的对象实现的，进程、线程和虚拟内存都被称为"对象"。和其他架构不同， Mach 的对象间不能直接调用，只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。"消息"是 Mach 中最基础的概念，消息在两个端口 (port) 之间传递，这就是 Mach 的IPC (进程间通信) 的核心。

为了实现消息的发送和接收，mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap)，即函数mach_msg_trap()，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制，切换到内核态；内核态中内核实现的 mach_msg()函数会完成实际的工作。

RunLoop调用这个函数去接收消息，如果没有别人发送 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态。例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App，然后在 App 静止时点击暂停，你会看到主线程调用栈是停留在mach_msg_trap()这个地方。

iOS利用RunLoop实现的功能

• 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()。

  第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。

  第二个 Observer 监视了两个事件：BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush()释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

  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。

• 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。

• 手势识别

  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

  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。

• 定时器

  NSTimer其实就是CFRunLoopTimerRef，他们之间是 toll-free bridged 的。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。在快速滑动TableView时，即使一帧的卡顿也会让用户有所察觉。Facebook 开源的AsyncDisplayLink就是为了解决界面卡顿的问题，其内部也用到了 RunLoop。

• PerformSelecter

  当调用NSObject的 performSelecter:afterDelay:后，实际上其内部会创建一个Timer并添加到当前线程的RunLoop中。所以如果当前线程没有 RunLoop，则这个方法会失效。

  当调用 performSelector:onThread:时，实际上其会创建一个Timer加到对应的线程去，同样的，如果对应线程没有 RunLoop 该方法也会失效。

RunLoop常见应用

• 使用RunLoop的Mode做tableview滑动优化
  • 通过不同的mode的切换，实现滑动时暂停加载图片等，停止滑动时加载
• NSTimer计时任务
• autorelease pool
  • 由RunLoop维护
• 卡顿检测
  • 利用Observer记录主线程RunLoop休眠的时间
  • 利用Observer记录主线程RunLoop唤醒的时间
  • 计算这个（唤醒时间 - 休眠时间）的值，将其与正常的时间比较，判断当前是否会掉帧
• 让Crash的程序回光返照
  • 接收到Crash的Signal后手动重启RunLoop
• 异步Test Case
  • sleep前验证

用到的框架

• AFNetworking用于维护线程

  AFNetworking是基于NSURLConnection构建的，为了在后台也能接受回调，会创建一个线程，线程中添加一个RunLoop。由于没有调用RunLoop的停止方法，所以RunLoop不会退出。

• AsyncDisplayKit

  ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode的对象，并在内部封装了UIView/CALayer，它具有和 UIView/CALayer 相似的属性，例如 frame、backgroundColor等。所有这些属性都可以在后台线程更改，开发者可以只通过 Node来操作其内部的 UIView/CALayer，这样就可以将排版和绘制放入了后台线程。
  并在主线程的RunLoop中添加一个Observer，监听RunLoop进入休眠和退出的回调事件，收到回调后，遍历执行队列中的任务。

• YYAsyncLayer

  • 实现原理如下：
    • 正常情况下：假设一次RunLoop需要处理50张图片
    • 使用YYAsyncLayer的情况：一次RunLoop处理1张图片，利用50个RunLoop去处理50张图片
      • 注意：在不计算休眠时间的情况下，50个RunLoop处理时间 = 1次RunLoop处理50张图片的时间

有关RunLoop的问题

• RunLoop与线程的关系
  • 一对一，一个线程可以有一个RunLoop，也可以没有
  • 主线程的RunLoop已经自动创建好了，子线程的RunLoop需要主动创建
  • RunLoop在第一次获取时创建，在线程结束时销毁
• RunLoop只是个死循环吗？
  • 不是，RunLoop是个有时间限制的循环
• 使用while(true)和RunLoop哪个好？
  • RunLoop，因为RunLoop可以在不需要使用的时候休眠，节省CPU资源，而while(true)则一直处于CPU活跃状态
• 为什么我们主线程需要有RunLoop？
  • 保持线程存活，接受事件
  • 为了管理AutoreleasePool
• [NSRunLoop currentRunLoop]实际上做了什么
  • [NSRunLoop currentRunLoop]实则为一个懒加载的方法。它会遍历一张全局静态的数据表，该数据表以线程PID为Key，以与该线程绑定的RunLoop为Value。该表创建的时候会首先对当前线程（主线程）的PID放入一个RunLoop
• RunLoop与autorelease pool的关系
  • 对于每一个Runloop， 系统会隐式创建一个Autorelease pool，这样所有的release pool会构成一个象CallStack一样的一个栈式结构，对象会自动被放入栈顶的AutoreleasePool中，在每一个Runloop结束时，当前栈顶的Autorelease pool会被销毁，这样这个pool里的每个Object会被release。
  • 两次pop两次push，均利用Observer实现
    • 进入后push
    • 睡眠前pop
    • 睡眠后push
    • 离开前pop
• GCD的dispatch_get_main()是如何实现的
  • 当调用dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 时，libDispatch会向主线程的RunLoop发送消息，RunLoop会被唤醒，并从消息中取得这个block，并在回调\__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__里执行这个block。但这个逻辑仅限于 利用GCD将block分发到主线程，分发到其他线程仍然是由libDispatch处理的。
  • GCD有自己的线程池，当需要使用到线程的时候随机找一个线程来跑，但是主线程是唯一的，使用RunLoop的主线程
• 如何切换Mode？为什么要这样做？
  • 先离开，重新进入后切换Mode
  • 这样是为了保证Mode里面的Timer、Sources、Observer互不影响
  • 延伸：在主线程Mode切换的时候，RunLoop这一次离开与下一次进入之前有一段间隔，这段间隔会对我们的应用有影响吗（比如会丢事件吗）？
    • 不会有影响，因为我们会把在这期间收到的事件都放在一个队列中，等待下一次RunLoop进入的时候，RunLoop根据该队列进行处理
• 使用Timer要注意什么
  • 注意使用内存管理[timer invalidate];及设nil
  • 使用addCommonMode / addUITrackingMode保证精准度
• CommonModes本质是什么
  • CommonModes是一个标识，CFRunLoopAddCommonMode等于给某个Mode打标识。
  • 这里有个概念叫CommonModes：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）。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。
• NSThread在没有RunLoop的情况下，执行完入口函数，会被立刻关闭吗？
  • 不会立刻关闭，会在执行完后，过段时间被清理
  • 延伸：既然如此，为什么把主线程的RunLoop关闭后，应用会崩溃？
    • 应用保证了主线程一定要有RunLoop，没有RunLoop则崩，与上面问题没有关系