Runloop原理以及应用-五八三

Runloop是什么？

在app启动之后，是什么在管理着任务的运行，当你的手点击屏幕之后，应用程序是如何识别到你的点击，并且进行对应的响应，这些都是runloop的运行机制在起着作用。本文将深入浅出的介绍runloop。

Runloop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一个event loop的逻辑（线程在没有处理消息是，休眠以避免资源占用，在有消息到来时立刻被唤醒）。线程执行了这个函数之后，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消息），函数返回。
线程和RunLoop是一一对应的。当我们运行一个应用程序，里面哪怕没有任何界面和功能的时候，系统都会帮我们自动起一个主线程的runloop。
其他线程的runloop会自动帮我们创建么？不会，其他线程的Runloop是懒加载的，线程和RunLoop是一一对应的，其关系是保持在一个全局的Dictionary里，线程刚创建是没有RunLoop，如果你不去主动获取，那它就一直不会有，RunLoop的创建是在第一次获取时，RunLoop的销毁是在线程结束时，你只能在一个线程的内部获取其RunLoop。

Runloop运行原理

Runloop的基本概念与结构：

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，只能指定期中一个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。

Source有两个版本：Source0 和 Source1

Source0
应用内事件
Source1
基于mach_port的，来自系统内核或者其他进程或者线程的事件
timer
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。

observer
观察者，它可以监控Runloop的状态，自动释放池的创建和销毁就依赖它，后续会详细讲到

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运行模式的介绍
OC/swift:介绍
1. NSRunLoopCommonModes/common:公有mode，
2. NSDefaultRunloopMode/’default’:默认的运行模式，通常主线程是在这个Mode下运行的。
3. UITrackingRunLoopMode/tracking:手势滑动时的模式，比如scrollView滑动的时候。
4. NSEventTrackingRunLoopMode/eventTracking：拖动事件发生的时候，比如鼠标滑动。感觉是mac开发的模式
5. NSModalPanelRunLoopMode/modalPanel：当等待来自模态面板的输入时设置的模式，例如保存或打开面板。感觉是mac开发的模式

NSRunLoopCommonModes是干嘛用的？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。通俗的讲，当你想把一个事件添加到不同的mode当中去的时候，一个一个添加，很麻烦，这时候直接添加到NSRunLoopCommonModes当中即可。因为系统会帮我们自动同步过去。NSRunLoopCommonModes默认已经有NSDefaultRunloopMode、UITrackingRunLoopMode。

Runloop是如何运行与处理事件的？

先看下图

别看这个这么复杂，其实很好理解，我把它分为2部分，其中一部分是runloop就是通知外部Observer自己的各种状态，另外一部分是事件处理，先处理source0，处理完休眠等待，source1就是外部的唤醒事件，然后这个事件会转成source0处理（跳回2）。

下面是runloop的源码：

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 内部函数，进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
 
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            /// • 一个基于 port 的Source 的事件。
            /// • 一个 Timer 到时间了
            /// • RunLoop 自身的超时时间到了
            /// • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
 
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息，处理消息。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
 
            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
 
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果没超时，mode里没空，loop也没被停止，那继续loop。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

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 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的接口整理与解释

有一些功能和接口并没有在RunLoop中暴露，但是可以用CFRunloop实现，RunLoop是对其的封装,我以CFRunLoop接口为例

//
class var current: RunLoop { get } //当前的runloop
var currentMode: RunLoop.Mode? { get }//当前的运行中的mode
class var main: RunLoop { get }//主线程对应的runloop
//
func limitDate(forMode mode: RunLoop.Mode) -> Date?//下一次运行的时间
func getCFRunLoop() -> CFRunLoop//当前runloop的cfRunloop对象
//add & remove
func add(_ timer: Timer,forMode mode: RunLoop.Mode)
func add(_ aPort: Port,forMode mode: RunLoop.Mode)
func remove(_ aPort: Port,forMode mode: RunLoop.Mode)

//-run runloop
func run()
//指定的日期前运行一次
func run(mode: RunLoop.Mode,before limitDate: Date) -> Bool 
//在指定日期到来前，一直运行runloop
func run(until limitDate: Date)
//运行循环一次或直到指定日期，仅接受指定模式的输入
func acceptInput(forMode mode: RunLoop.Mode,before limitDate: Date)

//-Scheduling and Canceling Tasks
func perform(_ block: @escaping @Sendable () -> Void)
func perform(inModes modes: [RunLoop.Mode],
                     block:@escaping @Sendable () ->Void)
                     
func perform(
    _ aSelector: Selector,
    target: Any,
    argument arg: Any?,
    order: Int,
    modes: [RunLoop.Mode]
)

func cancelPerform(
    _ aSelector: Selector,
    target: Any,
    argument arg: Any?
)

func cancelPerformSelectors(withTarget target: Any)

//Scheduling Combine Publishers
func schedule(
    options: RunLoop.SchedulerOptions?,
    _ action: @escaping () -> Void
)
func schedule(
    after date: RunLoop.SchedulerTimeType,
    tolerance: RunLoop.SchedulerTimeType.Stride,
    options: RunLoop.SchedulerOptions?,
    _ action: @escaping () -> Void
)
func schedule(
    after date: RunLoop.SchedulerTimeType,
    interval: RunLoop.SchedulerTimeType.Stride,
    tolerance: RunLoop.SchedulerTimeType.Stride,
    options: RunLoop.SchedulerOptions?,
    _ action: @escaping () -> Void
) -> Cancellable

var minimumTolerance: RunLoop.SchedulerTimeType.Stride { get }
var now: RunLoop.SchedulerTimeType { get }

Runloop的应用：

iOS系统在应用程序中的应用

AutoreleasePool

自动释放池的销毁和创建依赖与runloop的通知，即将进入runloop的时候创建自动释放池，准备进入休眠的时候调用_objc_autoreleasePoolPop释放旧的池，调用_objc_autoreleasePoolPush创建新池，在即将退出runloop的通知力，销毁自动释放池

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()。
当一个硬件事件触发后，首先由IOKIT.framework生成一个IOHIDEvent事件并由storyboard接受，随后用mach port转给需要的App进程，随后苹果注册的那个Source1就会回调，并调用UIApplicationHandleEventQueue()进行应用内部分发。关于应用内的事件分发和响应者链可以参考这篇文档：事件处理

手势识别

当上面的UIApplicationHandleEventQueue识别了个手势时,其首先会调用cancel将当前的touchesBegin/move/end系列回调打断，随意将此手势标记为待处理
苹果注册了个observer回调监测Loop即将进入休眠时间，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。

界面更新

当操作UI时,改变了Frame，更新了UIView/CALayer的层次时，setNeedsLayout/setNeedsDisplay,这个UIView/CALayer就会被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器中去。
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。

自己运用Runloop可以做的事情

线程保活

当一个子线程做完了所有的事情后，线程会被销毁，那么该如何让一个线程一直在运行而不被销毁呢，我们可以让runloop在线程中运行，没有什么事情的时候休眠，必要的时候唤醒它处理事件，比如AFNetworking

[[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];        
[runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];         
[runLoop run];

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