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推荐视频：RunLoop

1.RunLoop的概念

一般一个线程一次只能执行一个任务，执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制，让线程能随时处理时间但是不退出，通常的代码逻辑是这样的：

这种模型通常被称作 Event Loop。Event Loop 在很多系统和框架里都有实现，比如Windows程序的消息循环，再比如OSX/iOS里的RunLoop.实现这种模型的关键点在于：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。

所以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“接收消息->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。

OSX/iOS系统中，提供了两个这样的对象：NSRunLoop 和CFRunLoopRef。

CFRunLoopRef是在CoreFoundation框架内的，他提供了纯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。

CFRunLoopRef 的代码是开源的，你可以在这里http://opensource.apple.com/tarballs/CF/下载到整个 CoreFoundation 的源码来查看。

(Update: Swift 开源后，苹果又维护了一个跨平台的 CoreFoundation 版本：https://github.com/apple/swift-corelibs-foundation/，这个版本的源码可能和现有 iOS 系统中的实现略不一样，但更容易编译，而且已经适配了 Linux/Windows。)

2.RunLoop与线程的关系

首先，iOS开发中能遇到两个线程对象：pthread_t和NSThread。苹果并没有提供者两个对象相互转换的接口，但不管怎么样，可以肯定的是pthread_t和NSThread是一一对应的。比如：你也可通过pthread_main_thread_np()或[NSThread mainThread]来获取主线程，也可以通过pthread_self()或是[NSThread currentThread]来获取当前线程。CFRunLoop是基于pthread来管理的。苹果不允许直接创建RunLoop，它只提供两个自动获取的函数：CFRunLoopGetMain()和CFRunLoopGetCurrent().这两个函数内部的逻辑大概是下面这样的：

从上面的代码可以看出，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，线程刚创建的时候，并没有RunLoop，如果你不主动获取，那它一直不会有，RunLoop的创建时发生在第一次获取时，RunLoop的销毁时发生在线程结束的时候。你只能在一个线程的内部获取其RunLoop（主线程除外）。

3.RunLoop对外的接口

在CoreFoundation里面关于RunLoop有5个类：                                                 CFRunLoopRef ,             CFRunLoopModeRef,          CFRunLoopSourceRef, CFRunLoopTimerRef,     CFRunLoopObserverRef                                                             其中CFRunLoopModeRef类并没有对外暴露，只是通过CFRunLoopRef的接口进行了封装。他们的关系如下

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。                                   

CFRunLoopSourceRef是时间产生的地方。Source有两个版本：Source0 和Source1.                  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 只包含了一个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，其原理下面会讲到。

CFRunLoopObserveRef 是观察者，每个Observer都包含了一个回调(函数指针)，当RunLoop的状态发生变化的时候，观察者就能通过回调接收到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：

上面的Source/Timer/Observer被统称为mode item,一个item可以被同时加入多个mode，但是一个item被重复加入同一个mode时时不会有效果的。如果一个mode中一个item都没有，则RunLoop会直接退出，不进入循环。

4.RunLoop的Mode

CFRunLoopMode和CFRunLoop的结构大致如下：

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的内容发生变化的时候，RunLoop都会自动将_commonModelItems里的Source/observer/Timer同步到具有"Common"标记的所有Model里。

应用场景举例:主线程的RunLoop里有两个预置的Mode：KCFRunLoopDefaultMode 和UITrackingRunLoopMode。这里两个Mode都已经被标记为“common”属性。DefaultMode是App平时所处的状态，TrackingRunLoopMode是追踪ScrollView滑动时的状态，当你创建一个Timer并添加到defaultMode时，Timer会得到重复的回调，但此时滑动一个TableView时，RunLoop会将Mode切换为TrackingRunLoopMode，这时Timer就不会被回调，并且也不会影响到滑动操作。                                                                                                                      有时你需要一个Timer，在两个Mode中都能得到回调，一种办法就是讲这个Timer分别加入这两个Mode。还有一种方式，就是将Timer加入到顶层的RunLoop的“commonModeltems”中。“commonModelItems”被RunLoop自动更新到所有具有“Common”属性的Model里去。

CFRunLoop对外暴露的管理Mode接口只有下面2个：

Mode暴露的管理 mode item的接口有下面几个：

你只能通过mode name来操作内部的mode，当你传入一个新的mode ，但是RunLoop内部没有对应的mode时，RunLoop会自动帮你创建对应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，你可以用着两个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.

5.RunLoop的内部逻辑

RunLoop的内部逻辑  根据苹果在文档里的说明，RunLoop内部的逻辑大致如下：

其内部代码整理如下：

可以看到，实际上RunLoop就是这样一个函数，其内部是一个do-While循环，当你调用CFRunLoop()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，该函数猜会返回。

6.RunLoop的底层实现                                                                                                     从上面的代码 可以看到，RunLoop的核心是基于mach port的，其进入休眠时调用的函数是mach_msg().为了解释这个逻辑，下面稍微介绍一下OSX/iOS的系统架构。

苹果官方将整个系统大致划分为上述四个层次：                                                                      应用层包括用户能接触到的图形应用，例如Spotlight，Aqua，SpringBoard等。                       应用框架层即开发人员接触到的Cocoa等框架。                                                                      核心框架层包括各种核心框架，openGL等内容。                                                                    Darwin即操作系统的核心，包括系统内核，驱动，shell等内容，这一层是开源的，其所有源码都可以在 opensource.apple.com里找到。         

我们再深入看一下Darwin这个核心的架构

其中，在硬件层上面的三个组成部分：Mach，BSD，IOKit（还包括一些上面没标注的内容），共同组成了XNU内核。XNU内核的内环被称作Mach，其作为一个微内核，仅提供了诸如处理器调度，IPC（进程间通信）等非常少量的基础服务。                                                                     BSD层可以看做围绕Mach层的一个外环，其提供了诸如进程管理，文件系统和网络功能。IOKit层是为设备驱动提供了一个面向对象（C++）的一个框架。

Mach本身提供的API非常有限，而且苹果也不鼓励使用Mach的API，但是这些API非常基础，如果没有这些API的话，其他任何工作都无法实施。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。

Mach的消息定义是在<mach/message.h>头文件的

一条Mach消息时机上就是一个二进制数据包（BLOB），其头部定义了当前端口 local_port和目标端口remote_port，发送和接受消息是通过同一个API进行的，其option标记了消息传递的方向：

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。当你在用户端调用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，如下图:

这些概念可以参考维基百科:System_call、Trap_(computing)。                                              RunLoop的核心就是一个mach_msg()(见上面代码的第7步)，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，内核会将现场置于等待状态。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。

关于具体的如何利用 mach port 发送信息，可以看看NSHipster 这一篇文章，或者这里的中文翻译 。

关于Mach的历史可以看看这篇很有趣的文章：Mac OS X 背后的故事（三）Mach 之父 Avie Tevanian。

7.苹果用RunLoop实现的功能

首先我们可以看一下App启动后RunLoop的状态：

可以看到：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下运行的。            2.UITrackingRunMode：界面跟踪Mode，用于ScrollView追踪触摸滑动，保证界面滑动的时候不受其他Mode影响。                                                                                                           3.UIInitialzationRunLoopMode：接受系统事件的内部Mode，通常用不到。                             4.GSEventReceiveRunLoopMode：接受系统时间的内部Mode，通常用不到。                         5.kCFRunLoopCommonModes：这是一个占位的Mode，没有实际作用。

你可以在这里看到更多的苹果内部的 Mode，但那些 Mode 在开发中就很难遇到了。

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，通常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：

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)，其回调会调用_obj_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()创建自动释放池 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，保证释放池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）用来接受系统事件，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只接受按键(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（即将推出Loop）事件，回调去执行一个很长的函数：_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个函数里会便利所有待处理的UIVIew／VAlayer以执行实际的绘制和调整，并更新UI界面。

定时器

NSTimer其实是CFRunLoopTimerRef，他们之间是toll－free bridged的。一个NSTimer注册到RunLoop后，RunLoop会为其重复的事件点注册好事件。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。

如果某个事件点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则这个事件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。

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。

关于GCD

GCD提供的某些接口也用到了RunLoop，例如dispatch_async();当调用dispatch_async(diapatch_get_main_queue()，block)时，libDispatch会向主线程的RunLoop发送消息，RunLoop会被唤醒，当从消息中取得这个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diapstch到主线程，dispatch到其它线程仍然是由libDispatch处理的。

关于网络请求

ios中，关于网络请求的接口自下至尚有如下几层：

CFSocket是最底层的接口，只负责socket通信。                                                             CFNetwork是基于CFSocket等接口的上层封装，ASIHttpRequest工作于这一层。                      NSURLConnection是基于CFNetwork的更高层的封装，提供面向对象的接口，AFNetworking工作于这一层。

NSURLSession是iOS7 中新增的接口，表面上是和NSURLConnection并列的，但底层仍然用刀了NSURLConnection的部分功能，AFNetworking2 和Alamofire工作于这一层。

下面主要介绍下NSURLConnection的工作过程。

通常使用NSURLConnection 时，你会穿入一个Delegate，当调用了［connection start］后，这个Delegate 就会不停收到事件回调。实际上，star这个函数的内部会获取CurrentRunLoop，然后在其中的DefaultMode 添加了4个 Source0(即需要手动触发的Source)。CFMultiplexerSource 是负责个钟Delegate回调的，CFHTTPCookieStorage 是处理各种Cookie 的。

当开始网络传输时，我们可以看到NSURLConnection创建了两个新线程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中CFSocket线程是处理底层socket连接的。NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 来接收底层 socket 的事件，并通过之前添加的 Source0 通知到上层的 Delegate。

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通过一些基于 mach port 的 Source 接收来自底层 CFSocket 的通知。当收到通知后，其会在合适的时机向 CFMultiplexerSource 等 Source0 发送通知，同时唤醒 Delegate 线程的 RunLoop 来让其处理这些通知。CFMultiplexerSource 会在 Delegate 线程的 RunLoop 对 Delegate 执行实际的回调。

8.RunLoop的实际应用举例

AFNetworking

AFURLConnectionOperation这个类是基于NSURLConnection 构建的，其希望能在后台线程接收Delegate 回调。为此AFNetworking 单独创建了一个线程，并在这个线程中启动了一个RunLoop：

RunLoop 启动前内部必须要有至少一个Timer／Observer／Source，所以AFNetworking 在［runLoop run］之前先创建了一个新的NSMAchPort 添加进去了。通常情况下，调用这需要持有这个NSMachPort（mach_port）并在外部线程通过这个port发送消息刀loop内，但此处添加port知识为了让RunLoop不至于退出，并没有用于实际的发送消息。

当需要这个后台线程执行任务时，AFNetworking 通过调用［NSObject performSelector ：OnThread....］讲这个任务扔到了后台线程的RunLoop中。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架，其原理大致如下：

UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿，这类任务通常分为3类：排版，绘制，UI对象操作。

排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。

绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。

UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。

其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行，而最后一类操作只能在主线程完成，并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果 （例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小）。ASDK 所做的，就是尽量将能放入后台的任务放入后台，不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。

为此，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。但是无论怎么操作，这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式，实现了一套类似的界面更新的机制：即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer，监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回调时，遍历所有之前放入队列的待处理的任务，然后一一执行。

具体的代码可以看这里：_ASAsyncTransactionGroup。