什么Runloop

RunLoop是事件接收和分发机制的一个实现，是线程基础框架的一部分，一个Runloop就是一个事件循环，用于不停地调度工作和处理输入事件
RunLoop的本质是一个do-while循环，有事干活，没事休息，RunLoop是一种闲等待，具备休眠功能

• 保存程序的持续运行
• 处理App中各种事件（触摸，定时器，perfromSelector）
• 节约CPU资源，提高性能

RunLoop源码地址
RunLoop官方文档

RunLoop和线程的关系

日程开发中，我们可以通过下面两种方法获取RunLoop

// 主运行循环
 CFRunLoopRef mainRunloop = CFRunLoopGetMain();
 // 当前运行循环
 CFRunLoopRef currentRunloop = CFRunLoopGetCurrent();

• 进入CFRunLoopGetMain源码

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

• 进入_CFRunLoopGet0源码

// should only be called by Foundation
// t==0 is a synonym for "main thread" that always works
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
    //如果t不存在，则标记为主线程（即默认情况，默认是主线程）
    if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
        t = pthread_main_thread_np();
    }
    __CFSpinLock(&loopsLock);
    if (!__CFRunLoops) {
        __CFSpinUnlock(&loopsLock);
        
        //创建全局字典，标记为kCFAllocatorSystemDefault
        CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
        //通过主线程 创建主运行循环
        CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
        //利用dict，进行key-value绑定操作，即可以说明，线程和runloop是一一对应的
        // dict : key value
        CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
        
        if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
            CFRelease(dict);
        }
        
        CFRelease(mainLoop);
        __CFSpinLock(&loopsLock);
    }
    //通过其他线程获取runloop
    CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    __CFSpinUnlock(&loopsLock);
    if (!loop) {
        //如果没有获取到，则新建一个运行循环
        CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
        __CFSpinLock(&loopsLock);
        loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
        if (!loop) {
            //将新建的runloop 与 线程进行key-value绑定
            CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
            loop = newLoop;
        }
        // don't release run loops inside the loopsLock, because CFRunLoopDeallocate may end up taking it
        __CFSpinUnlock(&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;
}

RunLoop分为主线程的和其他线程的，RunLoop和线程是一一对应

RunLoop创建

• 进入__CFRunLoopCreate源码，里面主要是对RunLoop属性的赋值操作

static CFRunLoopRef __CFRunLoopCreate(pthread_t t) {
    CFRunLoopRef loop = NULL;
    CFRunLoopModeRef rlm;
    uint32_t size = sizeof(struct __CFRunLoop) - sizeof(CFRuntimeBase);
    loop = (CFRunLoopRef)_CFRuntimeCreateInstance(kCFAllocatorSystemDefault, __kCFRunLoopTypeID, size, NULL);
    //如果loop为空，则直接返回NULL
    if (NULL == loop) {
        return NULL;
    }
    //runloop属性配置
    (void)__CFRunLoopPushPerRunData(loop);
    __CFRunLoopLockInit(&loop->_lock);
    loop->_wakeUpPort = __CFPortAllocate();
    if (CFPORT_NULL == loop->_wakeUpPort) HALT;
    __CFRunLoopSetIgnoreWakeUps(loop);
    loop->_commonModes = CFSetCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, &kCFTypeSetCallBacks);
    CFSetAddValue(loop->_commonModes, kCFRunLoopDefaultMode);
    loop->_commonModeItems = NULL;
    loop->_currentMode = NULL;
    loop->_modes = CFSetCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, &kCFTypeSetCallBacks);
    loop->_blocks_head = NULL;
    loop->_blocks_tail = NULL;
    loop->_counterpart = NULL;
    loop->_pthread = t;
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
    loop->_winthread = GetCurrentThreadId();
#else
    loop->_winthread = 0;
#endif
    rlm = __CFRunLoopFindMode(loop, kCFRunLoopDefaultMode, true);
    if (NULL != rlm) __CFRunLoopModeUnlock(rlm);
    return loop;
}

• 进入CFRunLoopRef的定义，

typedef struct __CFRunLoop * CFRunLoopRef;
👇
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;
    CFTypeRef _counterpart;
};

从定义可知，

• RunLoop是一个对象，是__CFRunLoop的结构体指针类型
• 一个RunLoop对应多个Mode
• 一个Mode对应多个Item，item中包含了timer、source、observe

RunLoop对应关系

Mode类型

在官方文档中有5中，iOS中公开的只有NSDefaultRunLoopMode、NSRunLoopCommonModes，NSRunLoopCommonModes是一个集合，里面默认包含了NSDefaultRunLoopMode和NSEventTrackingRunLoopMode

• NSDefaultRunLoopMode：默认mode
• NSConnectionReplyMode
• NSModalPanelRunLoopMode
• NSEventTrackingRunLoopMode：跟踪用户交互事件（例如scrollView滚动）
• NSRunLoopCommonModes：伪模式，灵活性高

Item

• Source表示可以唤醒RunLoop的某些事件，分为source0和source1，例如点击了屏幕，就会创建一个RunLoop
  • source0：用户自定义事件
  • source1：系统事件，负责底层通讯，具备唤醒能力
• Timer：NSTime定时器一类
• Observer：监听RunLoop的状态变化，并作出响应，主要有以下状态

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    //进入RunLoop
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),
    //即将处理Timers
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
    //即将处理Source
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
    //即将进入休眠
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
    //被唤醒
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
    //退出RunLoop
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

RunLoop执行

因为RunLoop的执行通过run方法，通过堆栈信息可知，底层的执行方法是__CFRunLoopRun

__CFRunLoopRun

• 进入__CFRunLoopRun源码
  • 如果有observer，执行__CFRunLoopDoObservers
  • 如果有block，执行__CFRunLoopDoBlocks
  • 如果有timer，执行__CFRunLoopDoTimers
  • 如果有source0，执行__CFRunLoopDoSources0
  • 如果有source1，执行__CFRunLoopDoSource1

/* rl, rlm are locked on entrance and exit */
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode) {
    ...
    
    do{
        ...
         //通知 Observers: 即将处理timer事件
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        //通知 Observers: 即将处理Source事件
        if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);
        //处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        //处理sources0
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        //处理sources0返回为YES
        if (sourceHandledThisLoop) {
            // 处理Blocks
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        }
        
        ...
        
        //如果是timer
        else if (modeQueuePort != MACH_PORT_NULL && livePort == modeQueuePort) {
            CFRUNLOOP_WAKEUP_FOR_TIMER();
            if (!__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())) {
                // Re-arm the next timer, because we apparently fired early
                __CFArmNextTimerInMode(rlm, rl);
            }
        }
        
        ...
        
        //如果是source1
        CFRunLoopSourceRef rls = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort);
        if (rls) {
#if DEPLOYMENT_TARGET_MACOSX || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED || DEPLOYMENT_TARGET_EMBEDDED_MINI
            mach_msg_header_t *reply = NULL;
            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);
            }
#elif DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls) || sourceHandledThisLoop;
#endif
        }
        ...
    
    }while (0 == retVal);
    
    ...
}

• 进入__CFRunLoopDoTimers源码，通过for循环，对单个time进行处理

static Boolean __CFRunLoopDoTimers(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, uint64_t limitTSR) {    /* DOES CALLOUT */
    ...
    //循环遍历，做下层单个timer的执行
    for (CFIndex idx = 0, cnt = timers ? CFArrayGetCount(timers) : 0; idx < cnt; idx++) {
        CFRunLoopTimerRef rlt = (CFRunLoopTimerRef)CFArrayGetValueAtIndex(timers, idx);
        Boolean did = __CFRunLoopDoTimer(rl, rlm, rlt);
        timerHandled = timerHandled || did;
    }
    ...
}

• 进入__CFRunLoopDoTimer源码，执行完timer后，会主动调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__

timer执行总结

• 自定义的time，设置mode并加入RunLoop
• RunLoop的run方法执行时，会调用__CFRunLoopDoTimers执行所有timer
• __CFRunLoopDoTimers方法中，会for循环执行单个timer
• __CFRunLoopDoTimers方法中，timer执行完毕后，会执行对应timer的回调函数

对于observer、block、source0、source1，其执行原理与timer是类似的

RunLoop 底层原理

我们可以从堆栈信息中看出，run方法的执行路径是CFRunLoopRun -> CFRunLoopRun -> __CFRunLoopRun

• 进入CFRunLoopRun源码，其中传入的参数1.0e10（科学计数） 等于 1* e^10，表示超时时间

void CFRunLoopRun(void) {    /* DOES CALLOUT */
    int32_t result;
    do {
        // 1.0e10 : 科学技术 1*10^10
        result = CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
        CHECK_FOR_FORK();
    } while (kCFRunLoopRunStopped != result && kCFRunLoopRunFinished != result);
}

• 进入CFRunLoopRunSpecific源码，根据modeName找到对应的mode
  • 如果是entry，通知observer，进入runloop
  • 如果是exit，通知observer，退出runloop
  • 其他，通过runloop执行各种源

SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled) {     /* DOES CALLOUT */
    CHECK_FOR_FORK();
    if (__CFRunLoopIsDeallocating(rl)) return kCFRunLoopRunFinished;
    __CFRunLoopLock(rl);
    
    //首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(rl, modeName, false);
    
    // 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    // 内部函数，进入loop
    result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);
    
    // 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
    
    return result;
    
}

• 进入__CFRunLoopRun源码，根据不同事件源分开处理，当runloop休眠时，可以通过事件源唤醒

//核心函数
/* rl, rlm are locked on entrance and exit */
static int32_t __CFRunLoopRun(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopModeRef rlm, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle, CFRunLoopModeRef previousMode){
    
    //通过GCD开启一个定时器，然后开始跑圈
    dispatch_source_t timeout_timer = NULL;
    ...
    dispatch_resume(timeout_timer);
    
    int32_t retVal = 0;
    
    //处理事务,即处理items
    do {
        
        // 通知 Observers: 即将处理timer事件
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);
        
        // 通知 Observers: 即将处理Source事件
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources)
        
        // 处理Blocks
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        // 处理sources0
        Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
        
        // 处理sources0返回为YES
        if (sourceHandledThisLoop) {
            // 处理Blocks
            __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        }
        
        // 判断有无端口消息(Source1)
        if (__CFRunLoopWaitForMultipleObjects(NULL, &dispatchPort, 0, 0, &livePort, NULL)) {
            // 处理消息
            goto handle_msg;
        }
        
        
        // 通知 Observers: 即将进入休眠
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
        __CFRunLoopSetSleeping(rl);
        
        // 等待被唤醒
        __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort, poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);
        
        // user callouts now OK again
        __CFRunLoopUnsetSleeping(rl);
        
        // 通知 Observers: 被唤醒，结束休眠
        __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);
        
        
    handle_msg:
        if (被timer唤醒) {
            // 处理Timers
            __CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())；
        }else if (被GCD唤醒){
            // 处理gcd
            __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
        }else if (被source1唤醒){
            // 被Source1唤醒，处理Source1
            __CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply)
        }
        
        // 处理block
        __CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
        
        if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
            retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;//处理源
        } else if (timeout_context->termTSR < mach_absolute_time()) {
            retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;//超时
        } else if (__CFRunLoopIsStopped(rl)) {
            __CFRunLoopUnsetStopped(rl);
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;//停止
        } else if (rlm->_stopped) {
            rlm->_stopped = false;
            retVal = kCFRunLoopRunStopped;//停止
        } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(rl, rlm, previousMode)) {
            retVal = kCFRunLoopRunFinished;//结束
        }
        
        
        
    }while (0 == retVal);
    
    return retVal;
}

总结

RunLoop执行流程

面试题

1、RunLoop和线程的关系

• 线程与RunLoop一一对应，通过全局CFDictionary 存储，线程为key，RunLoop为value
• 主线程RunLoop默认开启，程序启动会一直运行，不会退出
• 子线程懒加载方式，需要手动开启

2、NSRunLoop 和 CFRunLoopRef 区别

• NSRunLoop：基于CFRunLoopRef面向对象的API，不安全的
• CFRunLoopRef：基于C语言，安全的

3、Runloop的mode作用是什么？

指定RunLoop中事件优先级

4、NSTimer创建定时器，在scrollView滚动时，定时器会暂停，为什么，如何解决

• 滚动scrollView时，主线程的RunLoop的mode会从NSDefaultRunLoopMode切换到UITrackingRunLoopMode，而定时器是添加到NSDefaultRunLoopMode上，所有定时器会暂停
• 将timer添加到UITrackingRunLoopMode中执行

5、RunLoop 和 AutoreleasePool的关系

官方文档

The Application Kit creates an autorelease pool on the main thread at the beginning of every cycle of the event loop, and drains it at the end, thereby releasing any autoreleased objects generated while processing an event.

• Runloop在没错事件循环之前，都会自动创建一会AutoreleasePool
• 在事件结束时，执行drain，释放其中的对象