Runloop分析

RunLoop 参考：深入理解RunLoop

ibireme：《深入理解RunLoop》

Runloop 的概念

首先，让一个线程随时能处理事件，但是并不退出，这样的模型通常称作 Event Loop，如下：

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

实现这种模型的关键点在于：如何管理事件/消息，如何让线程在没有消息处理时休眠以避免资源浪费，在消息到来时立刻被唤醒。

Runloop 实际上就是一个对象，这个对象管理了其所需要处理的事件和消息，并提供一个入口函数来执行上面的 Event Loop 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（如返回 quit 消息），函数返回。

iOS/MacOS 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 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，但这些 API 不是线程安全的。

RunLoop 与线程的关系

  1. RunLoop 是通过 p_thread 管理的。苹果不允许直接创建 RunLoop，它提供了两个自动获取的方法：CFRunLoopGetCurrent() 和 CFRunLoopGetMain()。
  2. 线程和 RunLoop 是一一对应的，其关系保存在一个全局的 Dictionary 里。线程刚创建时是没有 RunLoop 的，如果不主动获取，那它就会一直没有。RunLoop 的创建是在第一次获取时，销毁发生在线程结束时。

RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有五个类：

  • CFRunLoopRef
  • CFRunLoopSourceRef
  • CFRunLoopObserverRef
  • CFRunLoopTimerRef
  • CFRunLoopModeRef

其中， CFRunLoopModeRef 类没有对外暴露，只是通过 CFRunLoopRef 的接口进行了封装，他们关系如下：

RunLoop_0.png

一个 RunLoop 包含若干 Mode，每个 Mode 又包含若干 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 被称为 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割不同组的 Source/Timer/Observer，让其互不影响。这也是为啥 ScrollView 滑动时，默认 Mode 下计时器停止的原因。

Source/Timer/Observer 被统称为 mode item，一个 item 可以同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 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。

CFRunLoopSourceRef

是事件产生的地方。 Source 有两个版本： Source0 和 Source1。

  • Source0 只包含一个回调（指针），它并不能主动触发事件。使用时需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个 source 标记为待处理， 然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop ，让其处理事件。
  • Source1 包含了一个 mach_port 和一个回调（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。

CFRunLoopTimerRef

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回调（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 被唤醒执行那个回调。

CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者。 每个 Observer 都包含了一个回调（指针），当 RunLoop 状态发生变化时，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：

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
};

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop` 的结构如下：

struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;  /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    char _padding[3];
    CFMutableSetRef _sources0;
    CFMutableSetRef _sources1;
    CFMutableArrayRef _observers;
    CFMutableArrayRef _timers;
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
    __CFPortSet _portSet;
    CFIndex _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    dispatch_source_t _timerSource;
    dispatch_queue_t _queue;
    Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
    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 */
};


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;
};

筛选出比较关键的信息，大致如下：

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef _sources0;    // Set
    CFMutableSetRef _sources1;    // Set
    CFMutableArrayRef _observers; // Array
    CFMutableArrayRef _timers;    // Array
    ...
};
 
struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set
    ...
};
  • 苹果公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。
  • 可以自定义 Mode。RunLoop 内部 Mode 只能增加，不能减少。

RunLoop 内部逻辑

RunLoop 内部的逻辑大致如下：

RunLoop_1.png

苹果用 RunLoop 实现的功能

APP启动时，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. 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。
  4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。
  5. kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位的 Mode，没有实际作用。

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。

RunLoop 参考：iOS线下分享《RunLoop》by 孙源@sunnyxx

iOS线下分享《RunLoop》by 孙源@sunnyxx

RunLoop 机制

为什么要有 RunLoop:

  • 使程序一直运行并接受用户输入
  • 决定程序在何时应该处理哪些 Event
  • 调用解耦（Message Quene）
  • 节省 CPU 时间
RunLoop机制
  • RunLoop 与线程（Thread）一一绑定并非说是一个 Thread 只能对应一个 RunLoop, 而是对应一个在外层的 RunLoop,RunLoop 可以嵌套使用。
  • 1 对 n 是通过数组结构实现的。

CFRunLoopTimer

我们常用的 Timer 相关的，都是基于 CFRunLoopTimer 的封装，如：

+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti 
invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti 
invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;

或者延迟执行：

- (void)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)anArgument
afterDelay:(NSTimeInterval)delay inModes:(NSArray<NSRunLoopMode> *)modes;

或者屏幕刷新频率 CADisplayLink：

+ (CADisplayLink *)displayLinkWithTarget:(id)target selector:(SEL)sel;
- (void)addToRunLoop:(NSRunLoop *)runloop forMode:(NSRunLoopMode)mode;

CFRunLoopSource

  • Source 是 RunLoop 的数据抽象类（Protocol）
  • RunLoop 定义了两个 Version 的 Source，可以从堆栈信息中查看:
    • Source0: 处理 App 内部事件、App 自己负责管理（触发），如 UIEvent，CFSocket等。
    • Source1: 由 RunLoop 内核管理，Mach Port 驱动，如CFMachPort、CFMessagePort （都是官方文档说的。。。）
    • 如果需要，可以选择一种来实现自己的 Source。（这事儿知道就行了）

CFRunLoopObserver

/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};
  • 向外部报告当前 RunLoop 状态的更改。
  • 框架中很多机制都由 CFRunLoopObserver 触发，如 CAAnimation。（其实这个也是猜测，并没有实质文档说明）

Topic: CFRunLoopObserver 与 Autorelease Pool 关系

UIKit 通过 RunLoopObserver 在 RunLoop 循环过程中，对 Autorelease Pool 进行 Pop 和 Push 操作，将这次 Loop 中产生的 Autorelease 对象释放。视频中作者测试，是在两次 Sleep 之间。

CFRunLoopMode

  • RunLoop 在同一段时间，只能，并且必须在一种特定的 Mode 下 Run。
  • 更换 Mode 时，当前 Loop 会停止，然后重新启动 Loop。
  • Mode 是 iOS App 滑动顺畅的关键。
  • 可以定制自己的 Mode。
  1. NSDefaultRunLoopMode: 默认状态，越是空闲时的状态。
  2. UITrackingRunLoopMode: 滑动时的状态 ScrollView。
  3. UIInitializationRunLoopMode: 私有（不可见，堆栈追踪能看到，其他均为猜测）
  4. NSRunLoopCommonModes: 包含NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode 两种状态。:

Topic: UITrackingRunLoopMode 与 Timer

  1. 这个方法，是将 Timer 加到默认的 NSDefaultRunLoopMode 模式下。
[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1
                                 target:self
                               selector:@selector(timeCount)
                               userInfo:nil
                                repeats:YES];
  1. 如果存在 ScrollView，滑动时，[NSRunLoop currentRunLoop].currentMode 从 NSDefaultRunLoopMode 改变为 UITrackingRunLoopMode，此时，Timer 暂停，结束滑动后， Timer 继续。如果想要滑动时 Timer 正常运行，则将 Timer 添加到 NSRunLoopCommonModes 模式下即可，即：
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:self.timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

Topic: RunLoopMode 的切换

  • 滑动前：NSDefaultRunLoopMode
  • 滑动中：UITrackingRunLoopMode
  • 滑动结束后：NSDefaultRunLoopMode

RunLoop 与 GCD

视频中这一块也是在讨论，并没有定论

  1. GCD 本身与 RunLoop 没有关系。
  2. GCD 中 dispatch 到 main queue 的 block 被分发到 main runloop 中执行，dispatch_after 同理。

Runloop 的等待与唤醒

  • 指定用户唤醒的 mach_port 端口。
  • 调用 mach_msg 监听唤醒端口，被唤醒前，系统内核将这个线程挂起，停留在 mach_msg_trap 状态。
  • 由另一个线程（或另一个进程中的某个线程）向内核发送这个端口的 msg 后，trap 状态被唤醒， Runloop 继续开始干活。
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