Event Loop

Event Loop事件循環(huán)機(jī)制，如javascript的事件循環(huán)裹驰，以及依賴其的nodejs都是采用的異步事件循環(huán)機(jī)制隧熙。

對于上述兩者，都是基于多線程幻林，但是都是單線程執(zhí)行任務(wù)代碼贞盯，其依賴的就是Event Loop事件循環(huán)機(jī)制，通過事件隊列注冊事件及事件的觀察者沪饺，事件的執(zhí)行交由其他線程去執(zhí)行(如I/O操作邻悬，網(wǎng)絡(luò)請求等)，nodejs采用的是libuv異步I/O線程池庫随闽；對于非異步I/O操作，如setTimeOut setInterval等肝谭，都是基于事件循環(huán)查詢(每次事件處理完成后進(jìn)入下一次事件循環(huán)時都會查看時間是否已到達(dá)掘宪，并且是任務(wù)是插入到任務(wù)隊列尾部蛾扇，因此存在誤差，不過也可采用process.netxTick會將事件插入到事件循環(huán)前解析執(zhí)行魏滚，且可嵌套執(zhí)行)镀首；

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• 定時器：本階段執(zhí)行已經(jīng)被 setTimeout() 和 setInterval() 的調(diào)度回調(diào)函數(shù)。
• 待定回調(diào)：執(zhí)行延遲到下一個循環(huán)迭代的 I/O 回調(diào)鼠次。
• idle, prepare：僅系統(tǒng)內(nèi)部使用更哄。
• 輪詢：檢索新的 I/O 事件;執(zhí)行與 I/O 相關(guān)的回調(diào)（幾乎所有情況下，除了關(guān)閉的回調(diào)函數(shù)腥寇，那些由計時器和 setImmediate() 調(diào)度的之外）成翩，其余情況 node 將在適當(dāng)?shù)臅r候在此阻塞。
• 檢測：setImmediate() 回調(diào)函數(shù)在這里執(zhí)行赦役。
• 關(guān)閉的回調(diào)函數(shù)：一些關(guān)閉的回調(diào)函數(shù)麻敌，如：socket.on('close', ...)。

JavaScript單線程異步的背后——事件循環(huán)機(jī)制

《深入淺出Nodejs》

Nodejs Event Loop

JavaScript 運行機(jī)制詳解：再談Event Loop

Mach Port

這個在《unix進(jìn)程間通信》中已闡述掂摔，在這不過多闡述术羔；

RunLoop

RunLoop就像其名字一樣，就是運行循環(huán)乙漓，核心就是事件循環(huán)+mach port级历，利用事件循環(huán)注冊觀察相應(yīng)的事件，若無事件處理叭披，線程就去睡眠等待內(nèi)核事件觸發(fā)或者通過手動喚醒寥殖，不停地循環(huán)處理各種事件(如timer source0 source1事件以及dispatch分發(fā)的func block等)；

注：以下代碼分析基于CF-1151.16源碼趋观；

runloop與線程的關(guān)系

直接上結(jié)論：runloop與線程是一一對應(yīng)的扛禽，且對于主線程是默認(rèn)開啟的，對于其他線程皱坛，需要通過手動開啟编曼，且只能通過蘋果對外的接口獲取線程相應(yīng)的CFRunLoopRef對象：

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain(void);
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void);

原理就是：蘋果維護(hù)了一個全局的字典對象，若字典中不存在線程對應(yīng)的runloop對象就會創(chuàng)建并賦值剩辟，并且還利用線程私有數(shù)據(jù)(數(shù)組)存儲了指定__CFTSDKeyRunLoop當(dāng)前線程的CFRunLoopRef對象(同時也關(guān)聯(lián)了runloop對象銷毀的回調(diào)掐场，用于線程退出銷毀)；策略是：優(yōu)先從線程私有數(shù)據(jù)數(shù)組中獲取贩猎，若獲取不到就從全局字典對象中獲取熊户，若無則去創(chuàng)建；

runloop對象結(jié)構(gòu)分析

CoreFoundation中關(guān)于runloop的五個類：

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

其中CFRunLoopRef對象結(jié)構(gòu)體如下：

//CFRunLoop結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)
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;//綁定的線程pthread_t
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;//通用的mode set集合
    CFMutableSetRef _commonModeItems;//通用mode的itme集合
    CFRunLoopModeRef _currentMode;//當(dāng)前mode
    CFMutableSetRef _modes;//所有的mode
    struct _block_item *_blocks_head;//添加的block任務(wù)吭服，與dispatch分發(fā)的block處理不同
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFAbsoluteTime _runTime;
    CFAbsoluteTime _sleepTime;
    CFTypeRef _counterpart;
};

runloop對象的結(jié)構(gòu)體為__CFRunLoop嚷堡，其存儲著runloop相關(guān)的鎖保證線程安全(注意下NSRunLoop不是線程安全的)，喚醒端口(用于CFRunLoopWakeUp外部接口調(diào)用艇棕，主要是source0)蝌戒，綁定的線程串塑，mode各種集合(下面會重點闡述)，block處理任務(wù)(通過CFRunLoopPerformBlock接口注冊的)以及記錄需要的相關(guān)信息(如運行時間_runTime _sleepTime)等北苟；

CFRunLoopModeRef

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struct __CFRunLoopMode
{
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock; /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef _name;//mode名稱
    Boolean _stopped;
    char _padding[3];
    CFMutableSetRef _sources0;//source0對象
    CFMutableSetRef _sources1;//source1對象
    CFMutableArrayRef _observers;//observer對象
    CFMutableArrayRef _timers;//定時器
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
    __CFPortSet _portSet;//需要監(jiān)聽的所有mach port集合
    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
    //mk_timer由mach port實現(xiàn)<https://opensource.apple.com/source/xnu/xnu-3789.51.2/osfmk/kern/mk_timer.c>
    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 */
};

CFRunLoopModeRef對象未對外暴露，可通過CFRunLoopCopyAllModes及CFRunLoopCopyCurrentMode獲取所有runloop相關(guān)的Mode友鼻，通過CFRunLoopAddCommonMode添加Mode傻昙；

runloop可添加多個Mode，但只能指定一個Mode模式運行(默認(rèn)是kCFRunLoopDefaultMode)彩扔，且需要退出當(dāng)前重新指定運行才能生效妆档；每個Mode中可添加若干source、timer借杰、observer过吻；

對于CoreFoundation中的CFRunLoop蘋果只提供了兩種默認(rèn)模式kCFRunLoopDefaultMode和kCFRunLoopCommonModes，其中kCFRunLoopCommonModes只是操作common標(biāo)記的字符串蔗衡，用于向所有現(xiàn)有的Modes中添加相應(yīng)的觀察者纤虽，不是一種具體的Mode，不能直接用于CFRunLoopRunInMode調(diào)用運行绞惦；但上層NSRunLoopMode封裝了一些相應(yīng)的Mode逼纸，如

• NSDefaultRunLoopMode即kCFRunLoopDefaultMode默認(rèn)的模式
• NSEventTrackingRunLoopMode模態(tài)跟蹤事件時，例如鼠標(biāo)拖動循環(huán)济蝉，應(yīng)將運行循環(huán)設(shè)置為此模式杰刽；
• NSModalPanelRunLoopMode運行等待模態(tài)窗口(如NSSavePanel NSOpenPanel)的輸入時指定；
• UITrackingRunLoopMode運行控件追蹤時指定王滤，如UIScrollView滑動時(這個系統(tǒng)會默認(rèn)自動切換到此模式)

iOS應(yīng)用啟動時系統(tǒng)默認(rèn)注冊了5個Mode:

• kCFRunLoopDefaultMode: App的默認(rèn) Mode贺嫂，通常主線程是在這個 Mode下運行的；
• UITrackingRunLoopMode: 界面跟蹤 Mode雁乡，用于 ScrollView 追蹤觸摸滑動第喳，保證界面滑動時不受其他 Mode 影響；
• UIInitializationRunLoopMode: 在剛啟動 App 時第進(jìn)入的第一個 Mode踱稍，啟動完成后就不再使用曲饱；
• GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統(tǒng)事件的內(nèi)部 Mode，通常用不到珠月；
• kCFRunLoopCommonModes: 這是一個占位的 Mode扩淀，沒有實際作用；

CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct __CFRunLoopSource
{
    CFRuntimeBase _base;
    uint32_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFIndex _order; /* immutable */
    CFMutableBagRef _runLoops;
    union {
        CFRunLoopSourceContext version0;  /* immutable, except invalidation */
        CFRunLoopSourceContext1 version1; /* immutable, except invalidation */
    } _context;
};

typedef struct {
    CFIndex version;
    void *  info;
    const void *(*retain)(const void *info);
    void    (*release)(const void *info);
    CFStringRef (*copyDescription)(const void *info);
    Boolean (*equal)(const void *info1, const void *info2);
    CFHashCode  (*hash)(const void *info);
    void    (*schedule)(void *info, CFRunLoopRef rl, CFRunLoopMode mode);
    void    (*cancel)(void *info, CFRunLoopRef rl, CFRunLoopMode mode);
    void    (*perform)(void *info);
} CFRunLoopSourceContext;

typedef struct {
    CFIndex version;
    void *  info;
    const void *(*retain)(const void *info);
    void    (*release)(const void *info);
    CFStringRef (*copyDescription)(const void *info);
    Boolean (*equal)(const void *info1, const void *info2);
    CFHashCode  (*hash)(const void *info);
    mach_port_t (*getPort)(void *info);
    void *  (*perform)(void *msg, CFIndex size, CFAllocatorRef allocator, void *info);
} CFRunLoopSourceContext1;

其中聯(lián)合體union中的versionx.version字段信息用于區(qū)分source0或者source1啤挎；

• source0驻谆，結(jié)構(gòu)體中context上下文中包含了各種回調(diào)函數(shù)，主要是perform回調(diào)函數(shù)(用于執(zhí)行添加到source0中的任務(wù))，當(dāng)調(diào)用CFRunLoopSourceSignal時會標(biāo)記__CFRunLoopSource中的_bits標(biāo)記位旺韭，然后調(diào)用CFRunLoopWakeUp來喚醒runloop再下一個循環(huán)中處理此回調(diào)氛谜；

  主要用于APP內(nèi)部事件，由APP負(fù)責(zé)管理觸發(fā)区端，如UIEvent事件；

• source1澳腹，不同于source0執(zhí)行回調(diào)函數(shù)织盼，source1還需要指定mach port，用于監(jiān)聽系統(tǒng)內(nèi)核事件或其他線程發(fā)來的事件酱塔；

CFRunLoopTimer

struct __CFRunLoopTimer
{
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFMutableSetRef _rlModes;
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;        /* immutable */
    CFTimeInterval _tolerance;       /* mutable */
    uint64_t _fireTSR;               /* TSR units */
    CFIndex _order;                  /* immutable */
    CFRunLoopTimerCallBack _callout; /* immutable */
    CFRunLoopTimerContext _context;  /* immutable, except invalidation */
};

CFRunLoopTimer結(jié)構(gòu)中包含了時間相關(guān)的變量沥邻，runloop被timer事件觸發(fā)都會去檢查當(dāng)前所有的timer時間點是否達(dá)到哀军，若達(dá)到則處理事件任務(wù)译柏；具體觸發(fā)時間事件主要包含兩種mk_timer及dispatch source形式，兩者都是基于mach port但是觸發(fā)runloop并處理回調(diào)的處理方式不同接癌；

mk_timer是通過__CFRunLoopDoTimers來處理蕊玷，依賴于runloop來觸發(fā)時間回調(diào)函數(shù)邮利，因此基于此的NStimer及performSelector:withObject:afterDelay:(是對NSTimer的包裝)，都需要runloop運行垃帅；

而dispatch source(針對主隊列延届，其他隊列不是通過runloop來觸發(fā))是通過__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__中指定的外部函數(shù)_dispatch_main_queue_callback_4CF來處理，調(diào)用堆棧如下

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Timer有兩種實現(xiàn)方式分別是MK_Timer和GCD Timer,在runloop中Timer被轉(zhuǎn)為了一個存了觸發(fā)時間的列表运悲，這個觸發(fā)時間是一個絕對時間龄减，會按時間大小升序排序，在最小的時間被觸發(fā)后扇苞，Runloop會更新列表保證時間始終是升序排列欺殿。如果Runloop在某次運行中阻塞了很長時間，Timer的觸發(fā)會受到影響鳖敷。過期的時間點會被移除而不會去觸發(fā)脖苏。

具體的NSTimer與GCD Timer實現(xiàn)剖析可參考從NSTimer的失效性談起（二）：關(guān)于GCD Timer和libdispatch

不過在源碼中的USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS未生效，暫時未搞清問題定踱，待后續(xù)補(bǔ)充棍潘；

CFRunLoopObserver

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觀察者對象指定了runloop相應(yīng)狀態(tài)變化(_activities指定需要觀察的類型)及狀態(tài)變化的回調(diào)指針_callout，具體觀察的選項包括：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即將進(jìn)入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將進(jìn)入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 剛從休眠中喚醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即將退出Loop
};

RunLoop事件循環(huán)

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RunLoop實踐

AutoReleasePool

主要是利用runloop observer觀察注冊的事件:kCFRunLoopEntry水由、kCFRunLoopBeforeWaiting、kCFRunLoopExit赛蔫，分別用于autoreleasepool push/pop操作來創(chuàng)建/釋放內(nèi)存池砂客，并且保證自動內(nèi)存池創(chuàng)建優(yōu)先級其他回調(diào)之前，釋放內(nèi)存池在其他回調(diào)之后呵恢，進(jìn)而不會導(dǎo)致內(nèi)存泄露鞠值；

事件響應(yīng)/手勢識別

對于IOKit.framework生成的IOHIDEvent(如觸摸/鎖屏/靜音/傳感器加速等)會發(fā)送給SpringBoard接收，并通過mach port發(fā)送給注冊了相應(yīng)端口的source1應(yīng)用進(jìn)程渗钉，進(jìn)而觸發(fā)事件回調(diào)__IOHIDEventSystemClientQueueCallback彤恶，并通過_UIApplicationHandleEventQueue內(nèi)部注冊source0事件進(jìn)行事件應(yīng)用內(nèi)部分發(fā)；

手勢識別就是將上面識別的手勢UIGestureRecognizer標(biāo)記為待處理鳄橘，并注冊了observer監(jiān)測BeforeWaiting事件声离，觸發(fā)回調(diào)來處理待處理的手勢；

界面更新

蘋果注冊了observer監(jiān)測BeforeWaiting/Eixt事件挥唠，當(dāng)事件發(fā)生時會將已提交到全局容器待界面繪制的任務(wù)執(zhí)行并更新UI抵恋，如果中間執(zhí)行大量邏輯計算的任務(wù)導(dǎo)致runloop遲遲不觸發(fā)ui更新的話，就會導(dǎo)致繪制ui的幀被丟棄即“丟幀”宝磨，進(jìn)而引發(fā)ui卡頓弧关，FaceBook推出的開源項目AsyncDisplayKit 就是防止主線程存在大量與ui不相關(guān)的任務(wù)處理(通過后臺線程處理)阻塞ui更新，來避免“丟幀”提升界面流暢度唤锉；

GCD

對于提交至主隊列的任務(wù)世囊，如dispatch_source timer、dispatch_async窿祥，都是主隊列runloop中監(jiān)聽相對應(yīng)的mach port事件株憾，當(dāng)事件發(fā)生時(timer到期或dispatch_async添加到主隊列任務(wù))，libdispatch就會通過mach port端口向監(jiān)聽該端口的runloop發(fā)送喚醒消息晒衩，被喚醒的runloop觸發(fā)回調(diào)函數(shù)__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__嗤瞎，該回調(diào)函數(shù)內(nèi)部的_dispatch_main_queue_callback_4CF實際是由libdispatch定義處理的，即處理相應(yīng)的任務(wù)听系；

網(wǎng)絡(luò)請求

對于NSURLConnection實現(xiàn)原理如下圖贝奇，具體為：

image.png

當(dāng)開始網(wǎng)絡(luò)傳輸時，我們可以看到 NSURLConnection 創(chuàng)建了兩個新線程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private靠胜。其中 CFSocket 線程是處理底層 socket 連接的掉瞳。NSURLConnectionLoader 這個線程內(nèi)部會使用 RunLoop 來接收底層 socket 的事件毕源，并通過之前添加的 Source0 通知到上層的 Delegate。
NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通過一些基于 mach port 的 Source 接收來自底層 CFSocket 的通知陕习。當(dāng)收到通知后霎褐，其會在合適的時機(jī)向 CFMultiplexerSource 等 Source0 發(fā)送通知，同時喚醒 Delegate 線程的 RunLoop 來讓其處理這些通知该镣。CFMultiplexerSource 會在 Delegate 線程的 RunLoop 對 Delegate 執(zhí)行實際的回調(diào)冻璃。

AFNetworking使用的常駐線程用于后臺接收delegate回調(diào)，當(dāng)有任務(wù)需要處理時损合，通過performSelector:onThread:將任務(wù)提交給該線程的runloop來處理俱饿，具體后臺常駐線程創(chuàng)建如下：

+ (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;
}

最重要的就是在runloop中添加了的未接收任何消息的NSMachPort進(jìn)去，防止runloop退出進(jìn)而線程退出塌忽；

小知識

宏定義 do{ }while(0)

• 幫助定義復(fù)雜的宏以避免錯誤

#define DO_SOMETHING() foo1();foo2();

if (a>0)
  DO_SOMETHING();
//展開后如下
if (a>0)
  foo1();
  foo2();

• 避免使用goto跳轉(zhuǎn)

  int foo() {
    if (error1) {
        do_something();
        goto END:
    }
    if (error2) {
        do_something2();
        goto END;
    }
  END:
    xxx;
  }
  
  //使用do{}while(0)
  int foo() {
    do {
        if (error1) 
            do_something();
    if (error2) 
        do_something2();
    } while(0)
    
    xxx;
  }
  

• 控制代碼塊

• 避免由空宏定義造成的警告

  內(nèi)核中由于不同架構(gòu)的限制，很多時候會用到空宏失驶，土居。在編譯的時候，這些空宏會給出warning嬉探，為了避免這樣的warning擦耀，我們可以使用do{...}while(0)來定義空宏： #define EMPTYMICRO do{}while(0)； 這種情況不太常見涩堤，因為有很多編譯器眷蜓，已經(jīng)支持空宏。

do{...}while(0)的妙用

CHECK_FOR_FORK()宏定義用途

主要對于非移動端平臺胎围，如Mac OSX吁系，進(jìn)程調(diào)用fork生成子進(jìn)程，一般是直接調(diào)用exec或類似的函數(shù)執(zhí)行新的程序白魂，而對于依賴Core Founadtion / Cocoa / Core Data 框架的應(yīng)用,必須調(diào)用 exec 函數(shù),否則這些框架也許不能正確的工作汽纤。

Warning: When launching separate processes using the fork function, you must always follow a call to fork with a call to exec or a similar function. Applications that depend on the Core Foundation, Cocoa, or Core Data frameworks (either explicitly or implicitly) must make a subsequent call to an exec function or those frameworks may behave improperly.

-- 摘自Threading Programming Guide

理解：應(yīng)該是避免進(jìn)程使用vfork系統(tǒng)調(diào)用繼續(xù)使用父進(jìn)程的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致影響父進(jìn)程福荸，因此要求立即調(diào)用exec去執(zhí)行新的程序蕴坪；

Reference

RunLoop --- CHECK_FOR_FORK()

RunLoop 源碼閱讀

Dispatch Sources

深入淺出 GCD 之 dispatch_queue

Threading Programming Guide -- Runloop

iOS刨根問底-深入理解RunLoop

CFRunLoopRef

深入理解RunLoop

iOS線下分享《RunLoop》by 孫源@sunnyxx

demo

https://github.com/FengyunSky/notes/blob/master/local/code/runloop.tar