RunLoop从理解到忘记

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现在都9102年了谈这个runloop实在是多余，但是最近发现自己以前理解的知识点有的都忘了，如题。所以写这个文章记录一下，以后记不清了就返回来看看。如有不当之处，还请大家指正。本文是基于苹果官方文档的解读，大多数内容在文档中都可以找到，其相关文档为：https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/Multithreading/RunLoopManagement/RunLoopManagement.html#//apple_ref/doc/uid/10000057i-CH16-SW1

与Runloop相关的CFRunLoopRef源码也是公开的，地址为：https://opensource.apple.com/source/CF/CF-635.19/CFRunLoop.c.auto.html 喜欢研究源码的同学可以看下。

Runloop概述

关于runloop的概念，我觉得苹果文档已经阐述的相当到位了。原文翻译过来即为：runloop是与线程相关的基础架构的一部分。 runloop是一个事件处理循环，用于调度工作并协调传入事件的接收。 runloop的目的是在有工作时保持线程忙，并在没有事件处理时让线程进入休眠状态。

在iOS系统中，关于runloop的代码有2处，一处是CoreFoundation 框架内的CFRunLoopRef，提供了纯C函数的API且是线程安全的。另一处是Foundation框架内的NSRunLoop，其核心是对CFRunLoopRef在OC中的封装并无提供额外的其他功能，提供面向对象的API，线程不安全。

Runloop事件循环序列

根据苹果文档的描述，每次运行runloop时，runloop都会处理执行若干个task，并为任何外部附加的observers生成通知，即告知runloop当前处于什么状态。

runloop执行此操作的顺序为:

1.通知观察者已经进入了runloop

2.通知观察者任何准备好的Timer即将被触发

3.通知观察者任何非基于端口的输入源即将被触发(即Source0)

4.触发任何准备触发的基于非端口的输入源，即处理Source0回调

5.如果基于端口的输入源准备就绪并等待触发(即Source1)，请立即处理该事件。 转到第9步

6.通知观察者thread即将睡眠

7.将线程置于睡眠状态，直到发生以下事件之一：

　　·事件到达基于端口的输入源，即Source1触发

　　·Timer触发

　　·为runloop设置的timeout到期

　　·runloop被明确唤醒

8.通知观察者thread刚刚醒来

9.处理待处理事件。

　　·如果触发了用户定义的Timer，则处理Timer事件并重新启动runloop。 转到第2步

　　·如果输入源被触发，则传递该事件

　　·如果runloop被明确唤醒但尚未超时，请重新启动循环。 转到第2步

10.通知观察者runloop已退出

其事件循环序列对应的runloop源码即为：

首先调用

if (currentMode->_observerMask & kCFRunLoopEntry ) __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopEntry);
result = __CFRunLoopRun(rl, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled, previousMode);//1

 进入runloop的主函数__CFRunLoopRun

if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeTimers) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeTimers);//2
if (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeSources) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeSources);//3
__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);//执行被加入的block

 在这里“执行被加入的block”应该怎么理解呢？runloop在运行时会处理若干个task，而其中有一种方式是可以被开发者使用的，方法为：

/**即通过CFRunLoopPerformBlock函数将一个block插入目标队列*/

void CFRunLoopPerformBlock(CFRunLoopRef rl, CFTypeRef mode, void (^block)(void));

调用上面的函数方法，runloop在运行时，会通过__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm)执行队列里的所有block. 方法中有个CFTypeRef mode参数，即调用时定义的为哪种mode，那么在执行时也只执行与此mode相关的block. 关于mode的解释，后面会详细说明。

Boolean sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(rl, rlm, stopAfterHandle);
if (sourceHandledThisLoop) {
　　__CFRunLoopDoBlocks(rl, rlm);
} //4
        
Boolean poll = sourceHandledThisLoop || (0LL == timeout_context->termTSR);
if (MACH_PORT_NULL != dispatchPort && !didDispatchPortLastTime) {
　　msg = (mach_msg_header_t *)msg_buffer;
   if (__CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg, sizeof(msg_buffer), 0)) {
　　　　goto handle_msg; //5
   }
}
       
if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopBeforeWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopBeforeWaiting);
__CFRunLoopSetSleeping(rl); //6

__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), poll ? 0 : TIMEOUT_INFINITY);//7
__CFRunLoopUnsetSleeping(rl);

if (!poll && (rlm->_observerMask & kCFRunLoopAfterWaiting)) __CFRunLoopDoObservers(rl, rlm, kCFRunLoopAfterWaiting);//8

之后进入步骤9，即如果有计时器(Timer)时间到了，将触发这个Timer的回调，即调用__CFRunLoopDoTimers(rl, rlm, mach_absolute_time())。或者如果开发者调用GCD的API将任务放入主队列中，那么runloop会调用_dispatch_main_queue_callback_4CF(msg)来执行这个block。再或者runloop通过__CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(rl, rlm, livePort)判断Source1是否被触发，如果触发则调用__CFRunLoopDoSource1(rl, rlm, rls, msg, msg->msgh_size, &reply)处理此事件。

在循环的最后，runloop会判断当前mode返回的原因，即CFRunLoopRunResult. 这是个枚举类型，分别为：

/* Reasons for CFRunLoopRunInMode() to Return */
typedef CF_ENUM(SInt32, CFRunLoopRunResult) {
    kCFRunLoopRunFinished = 1, //runloop没有要处理的source和timer
    kCFRunLoopRunStopped = 2, //CFRunLoopStop在runloop中被调用
    kCFRunLoopRunTimedOut = 3, //超出传入的标记时间
    kCFRunLoopRunHandledSource = 4 //runloop被告知处理完此source就返回
};

当runloop循环标识位不为0时，循环停止。

最后调用

__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit); //10

从CFRunLoopRef的源码中去看，runloop主体就是一个do while循环，这点和runloop概念中提到的“事件处理循环”相吻合。依靠mach_msg系统调用，发送和接收Mach消息。mach_msg可以理解为系统级别的多进程之间的通信机制，使用相同的缓冲区来发送和接收消息(关于mach_msg的相关概念，感兴趣的同学可以去看文档)。依靠苹果内核Kernel对其进行管理。runloop运行时会向外部报告runloop当前状态的更改(即CFRunLoopActivity状态)，然后系统通过mach_msg内核函数对runloop进行唤醒或休眠操作，避免runloop在无事件处理时占用系统资源。

 Runloop相关数据结构

runloop的数据结构分为：CFRunLoopRef，CFRunLoopModeRef，CFRunLoopSourceRef，CFRunLoopTimerRef，CFRunLoopObserverRef

CFRunloopRef其实就是__CFRunloop这个结构体指针，其核心方法即是我们上面讲的__CFRunLoopRun函数。对应的结构体源码为：

struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;            /* locked for accessing mode list */
    __CFPort _wakeUpPort;             // used for CFRunLoopWakeUp 
    Boolean _ignoreWakeUps;
    volatile uint32_t *_stopped;
    pthread_t _pthread;               //代表线程，且runloop与线程是一一对应的
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    //每次调用Runloop的主函数__CFRunLoopRun()时必须指定一种Mode，这个Mode称为 _currentMode
    CFMutableSetRef _modes;           //包含多个mode的数据集合，其中mode的数据结构为CFRunLoopMode(NSMutableSet<CFRunLoopMode*>)
    struct _block_item *_blocks_head;
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFTypeRef _counterpart;
};

 _commonModes和_commonModeItems在接下来讲述mode的数据结构时再详细说明。

CFRunLoopModeRef对应的源码为：

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;
    mach_port_t _timerPort;
};

从mode的源码中可以看到，mode就是为了实现runloop的逻辑行为而设计的。依据文档，mode是要监视的输入源(即Source0和Source1)和计时器的集合，以及要通知的RunLoopObserver的集合。并且runloop在运行时，在同一时段只能且必须(显式或隐式)在一种特定的mode下运行。在指定mode以后，仅监视与该mode关联的Source源并允许其传递其事件。那这个指定的mode就是在__CFRunLoop结构体中的_currentMode.

在Cocoa和Core Foundation框架中定义了标准mode以及何时使用该mode的说明。其分别为：

• NSDefaultRunLoopMode(Cocoa)，kCFRunLoopDefaultMode(Core Foundation): iOS系统默认的RunloopMode。大多数情况下，应使用此mode启动runloop并配置输入源。
• NSConnectionReplyMode(Cocoa):Cocoa将此mode与NSConnection对象结合使用以监视回复。很少用到
• NSModalPanelRunLoopMode(Cocoa):Cocoa使用此mode来识别用于modal panels的事件。(移动设备开发用不到)
• UITrackingRunLoopMode(iOS)，NSEventTrackingRunLoopMode(Cocoa):此mode限制鼠标拖动循环和其他种类的用户界面跟踪循环期间的传入事件。
• NSRunLoopCommonModes(Cocoa)，kCFRunLoopCommomModes(Core Foundation):这是一组可配置的常用模式，其为一组runloop mode的集合。对于Cocoa应用程序，此集合默认包括默认(NSDefaultRunLoopMode)，模态(NSTaskDeathCheckMode)和事件(UITrackingRunLoopMode)跟踪模式。 Core Foundation最初只包含默认模式。 您可以使用CFRunLoopAddCommonMode函数将自定义模式添加到集合中。

这样来看__CFRunLoop结构体中的_commonModes和_commonModeItems就好理解了，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。

那么在runloop中runloop mode是怎么切换的呢？在源码中可以看到，为了保证线程安全，每回在mode切换时，必会有：

__CFRunLoopLock(rl);
..............
__CFRunLoopModeLock(rlm);
..............
__CFRunLoopModeUnLock(rlm);
..............
__CFRunLoopUnlock(rl);

所以大致可以认为mode切换有二种方式：一种是在runloop中途切换，一种是按顺序在当前mode结束之后切换。

CFRunLoopSourceRef是事件产生的地方，即事件源。Source分为两种：Source0和Source1

• Source0：非基于内核Port的，用于用户主动触发的事件。只包含了一个回调(函数指针)，需要手动唤醒线程让其处理事件。
• Source1：基于内核Port的，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。具备唤醒线程的能力。Source1在处理的时候会分发一些操作给Source0去处理，例如button点击事件。

CFRunLoopTimerRef基于事件的触发器，和NSTimer是toll-free bridge的(免费桥转换)。包含一个时间长度和一个回调(函数指针)。我们可以设置Timer的触发方式once或者repeat. 一个repeating timer重复触发依赖的时间是基于上一次的fire time的,并非实际的时间(有可能中间 runloopmode 有改变)。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。

CFRunLoopObserverRef对应的源码为：

struct __CFRunLoopObserver {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFIndex _rlCount;
    CFOptionFlags _activities;            /* immutable */
    CFIndex _order;                       /* immutable */
    CFRunLoopObserverCallBack _callout;   /* immutable */
    CFRunLoopObserverContext _context;    /* immutable, except invalidation */
};

CFRunLoopObserver为runloop中的一个监听器，随时通知外部当前RunLoop的运行状态。其状态对应的枚举类型为：

/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),        //进入runloop
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), //即将处理Timer事件
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),//即将处理Sources事件
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),//即将进入休眠，将要进行用户态到内核态的切换
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), //即将进入唤醒，内核态到用户态的切换后不久
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),         //退出runloop
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

AutoreleasePool的创建和释放就是监听上述状态的改变来实现的。

 Runloop的应用

未完待续.......

RunLoop从理解到忘记

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