iOS底层原理（三）：RunLoop

一、什么是RunLoop?

1. RunLoop就是运行循环，在程序运行过程中循环做一些事情，在很多地方都会应用到，例如：定时器、PerformSelector、GCD Async Main Queue、事件响应、手势识别、界面刷新、网络请求、AutoreleasePool
1. 如果没有RunLoop的话，例如以下代码，在执行完第13行代码后，会即将退出程序

没有RunLoop的话

1. 如果有了RunLoop的话，例如以下代码，程序并不会马上退出，而是保持运行状态

有了RunLoop

1. 我们见到的程序长时间保持活跃状态都是RunLoop的功劳，UIApplicationMain()会创建主线程，主线程内部会主动开启一个RunLoop，而RunLoop本质上就是一个do-while循环，只要条件满足，就会不停的循环，进而程序一直保持运行的状态。RunLoop源码如下所示：

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

1. RunLoop的作用有：
- 保持程序处于持续运行
- 处理App中的各种事件，例如触摸事件、定时器事件
- 节省CPU资源、提高程序性能：该做事的时候做事

二、RunLoop对象

1. iOS中有两套API来访问和使用RunLoop：Foundation中的NSRunLoop、Core Foundation中的CFRunLoopRef，其中的NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象，NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装
1. CFRunLoop是开源的，地址是：https://opensource.apple.com/tarballs/CF/，CFRunLoopRef提供了两个自动获取RunLoop的函数：CFRunLoopGetMain()、CFRunLoopGetCurrent()，其内部逻辑如下：

/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;

/// 获取一个 pthread 对应的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
OSSpinLockLock(&loopsLock);

if (!loopsDic) {
// 第一次进入时，初始化全局Dic，并先为主线程创建一个 RunLoop。
loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
}

/// 直接从 Dictionary 里获取。
CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));

if (!loop) {
/// 取不到时，创建一个
loop = _CFRunLoopCreate();
CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
/// 注册一个回调，当线程销毁时，顺便也销毁其对应的 RunLoop。
_CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
}

OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
return loop;
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

3.从上述源代码可以看出，RunLoop与线程之间的关系如下：
- 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
- 线程刚创建时并没有RunLoop对象，RunLoop会在第一次获取它时创建
- RunLoop会在线程结束时销毁
- 主线程的RunLoop默认已经自动创建了，而子线程默认没有开启RunLoop
1. 获取RunLoop对象的方法：
- Foundation框架：

[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框架：

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

三、RunLoop对外的接口

1. 在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类: CFRunLoopRef、CFRunLoopModeRef、CFRunLoopSourceRef、CFRunLoopTimerRef、CFRunLoopObserverRef，它们之间的关系如下所示：
  
  RunLoop
1. 从上图，我们可以看出来，一个RunLoop里面可以有多个mode，每个mode又可以多个source，observer，timer。可是每次RunLoop只能指定一个mode运行，如果想要切换mode，就必须先退出RunLoop，然后重新指定mode运行，这样做的目的就是避免mode之间相互影响。
注意：如果Mode里没有任何Souce0、Souce1、Timer、Observer，RunLoop会立马退出

下面我们就详细说说关于RunLoop的五个类

1. CFRunLoopRef是一个叫做__CFRunLoop的结构体，其内部结构如下所示，内部存放着可用的Mode集合、线程、当前的运行Mode
  
  __CFRunLoop内部结构
1. CFRunLoopModeRef代表了RunLoop的运行模式，底层是__CFRunLoopMode的结构体，内部结构如下所示，内部存放着souce0、souce1、observers、timers
  
  __CFRunLoopMode结构体.png

创建RunLoop时，系统默认注册了五种mode：

- (1). ```kCFRunLoopDefaultMode```: 默认 mode，通常主线程在这个 mode 下运行

- (2). ```UITrackingRunLoopMode```: 追踪mode，保证Scrollview滑动顺畅不受其他 mode 影响

- (3). ```UIInitializationRunLoopMode```: 启动程序后的过渡mode，启动完成后就不再使用

- (4). ```GSEventReceiveRunLoopMode```: Graphic相关事件的mode，通常用不到

- (5). ```kCFRunLoopCommonModes```: 占位用的mode，作为标记kCFRunLoopDefaultMode和UITrackingRunLoopMode用

1. CFRunLoopSourceRef是事件产生的地方，分为Source0和Source1两种：
- 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
- 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
1. 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
1. 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。可以观测的时间点有以下几个：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
  kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即将进入Loop
  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Loop
};

1. 可以通过该添加Observer监听RunLoop的状态，如下所示：

image.png

四、RunLoop的运行逻辑

1. RunLoop的运行逻辑如下所示：

image.png

1. 上图的运行逻辑文字描述是这样的：

image.png

1. RunLoop 的核心就是一个 mach_msg()，当一个RunLoop处理完事件后，即将进入休眠时，会经历下面几步：
- (1). 指定一个将来唤醒自己的mach_port端口
- (2). 调用mach_msg来监听这个端口，保持mach_msg_trap状态
- (3). 由另一个线程（比如有可能有一个专门处理键盘输入事件的loop在后台一直运行）向内核发送这个端口的msg后，mach_msg_trap状态被唤醒，RunLoop继续运行

五、RunLoop的应用

1. 线程包活，例如：AFNetworking的老版本就使用了线程包活，让子线程永远的活着，其源码如下所示：

+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    @autoreleasepool {
          [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
          NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
          [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
          [runLoop run];
    }
}

+ (NSThread *)networkRequestThread {
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        _networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}

- 主线程的RunLoop会自动创建，子线程的RunLoop默认不创建，在子线程中调用NSRunLoop.current获取RunLoop对象的时候，就会创建RunLoop
- RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/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，调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内；但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出，并没有用于实际的发送消息。

1. 事件响应，当一个事件(触摸/锁屏/摇晃等)发生后，首先由 SpringBoard 接收，随后用 mach port 转发给需要的App进程，然后触发进程的Source1的_UIApplicationHandleEventQueue()回调，_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。
- 当我们点击某个按钮时，通过打断点，可以看出来函数调用栈是通过Source0过来的，如下所示，与我们上面描述的似乎有些不同，这是因为：事件确实是由Source1接受的，在其回调里会触发Souce0，Source0 再触发的 _UIApplicationHandleEventQueue()进行事件分发和处理，所以UIButton事件看到是在 Source0 内的。

image.png

1. 界面刷新，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。

六、面试题

1. 讲讲 RunLoop，项目中有用到吗？
1. runloop内部实现逻辑？
1. runloop和线程的关系？
1. timer 与 runloop 的关系？
1. 程序中添加每3秒响应一次的NSTimer，当拖动tableview时timer可能无法响应要怎么解决？
1. runloop 是怎么响应用户操作的，具体流程是什么样的？
1. 说说runLoop的几种状态
1. runloop的mode作用是什么？