RunLoop 的概念

一般來講闺鲸，一個線程一次只能執(zhí)行一個任務(wù)，執(zhí)行完成后線程就會退出。如果我們需要一個機(jī)制甲馋，讓線程能隨時處理事件但并不退出，通常的代碼邏輯是這樣的：

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

這種模型通常被稱作 Event Loop躺率。 Event Loop 在很多系統(tǒng)和框架里都有實(shí)現(xiàn)材部，比如 Node.js 的事件處理妒峦，比如 Windows 程序的消息循環(huán)，再比如 OSX/iOS 里的 RunLoop扒披。實(shí)現(xiàn)這種模型的關(guān)鍵點(diǎn)在于：如何管理事件/消息值依，如何讓線程在沒有處理消息時休眠以避免資源占用、在有消息到來時立刻被喚醒碟案。

所以鳞滨，RunLoop 實(shí)際上就是一個對象，這個對象管理了其需要處理的事件和消息蟆淀，并提供了一個入口函數(shù)來執(zhí)行上面 Event Loop 的邏輯。線程執(zhí)行了這個函數(shù)后澡匪，就會一直處于這個函數(shù)內(nèi)部 “接受消息->等待->處理” 的循環(huán)中熔任，直到這個循環(huán)結(jié)束（比如傳入 quit 的消息），函數(shù)返回唁情。

OSX/iOS 系統(tǒng)中疑苔，提供了兩個這樣的對象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。
CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內(nèi)的甸鸟，它提供了純 C 函數(shù)的 API惦费，所有這些 API 都是線程安全的。
NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封裝抢韭，提供了面向?qū)ο蟮?API薪贫，但是這些 API 不是線程安全的。

CFRunLoopRef 的代碼是開源的刻恭，你可以在這里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/ 下載到整個 CoreFoundation 的源碼來查看瞧省。

RunLoop 與線程的關(guān)系

首先，iOS 開發(fā)中能遇到兩個線程對象: pthread_t 和 NSThread鳍贾。過去蘋果有份文檔標(biāo)明了 NSThread 只是 pthread_t 的封裝鞍匾，但那份文檔已經(jīng)失效了，現(xiàn)在它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread骑科。蘋果并沒有提供這兩個對象相互轉(zhuǎn)換的接口橡淑，但不管怎么樣，可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應(yīng)的咆爽。比如梁棠，你可以通過 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主線程；也可以通過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當(dāng)前線程伍掀。CFRunLoop 是基于 pthread 來管理的掰茶。

蘋果不允許直接創(chuàng)建 RunLoop，它只提供了兩個自動獲取的函數(shù)：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()蜜笤。 這兩個函數(shù)內(nèi)部的邏輯大概是下面這樣:

/// 全局的Dictionary濒蒋，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
static CFSpinLock_t loopsLock;
 
/// 獲取一個 pthread 對應(yīng)的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
    
    if (!loopsDic) {
        // 第一次進(jìn)入時沪伙，初始化全局Dic瓮顽，并先為主線程創(chuàng)建一個 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
    
    /// 直接從 Dictionary 里獲取围橡。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
    
    if (!loop) {
        /// 取不到時暖混，創(chuàng)建一個
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注冊一個回調(diào)，當(dāng)線程銷毀時翁授，順便也銷毀其對應(yīng)的 RunLoop拣播。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
    
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

從上面的代碼可以看出，線程和 RunLoop 之間是一一對應(yīng)的收擦，其關(guān)系是保存在一個全局的 Dictionary 里贮配。線程剛創(chuàng)建時并沒有 RunLoop，如果你不主動獲取塞赂，那它一直都不會有泪勒。RunLoop 的創(chuàng)建是發(fā)生在第一次獲取時，RunLoop 的銷毀是發(fā)生在線程結(jié)束時宴猾。你只能在一個線程的內(nèi)部獲取其 RunLoop（主線程除外）圆存。

RunLoop 對外的接口

在 CoreFoundation 里面關(guān)于 RunLoop 有5個類:

• CFRunLoopRef
• CFRunLoopModeRef
• CFRunLoopSourceRef
• CFRunLoopTimerRef
• CFRunLoopObserverRef

其中 CFRunLoopModeRef 類并沒有對外暴露，只是通過 CFRunLoopRef 的接口進(jìn)行了封裝仇哆。他們的關(guān)系如下:

image

一個 RunLoop 包含若干個 Mode沦辙，每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次調(diào)用 RunLoop 的主函數(shù)時讹剔，只能指定其中一個 Mode怕轿，這個Mode被稱作 CurrentMode。如果需要切換 Mode辟拷，只能退出 Loop撞羽，再重新指定一個 Mode 進(jìn)入。這樣做主要是為了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer衫冻，讓其互不影響诀紊。

CFRunLoopSourceRef 是事件產(chǎn)生的地方。Source有兩個版本：Source0 和 Source1隅俘。

• Source0 只包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針）邻奠，它并不能主動觸發(fā)事件。使用時为居，你需要先調(diào)用 CFRunLoopSourceSignal(source)碌宴，將這個 Source 標(biāo)記為待處理，然后手動調(diào)用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop蒙畴，讓其處理這個事件贰镣。
• Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調(diào)（函數(shù)指針）呜象，被用于通過內(nèi)核和其他線程相互發(fā)送消息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程碑隆，其原理在下面會講到恭陡。

CFRunLoopTimerRef 是基于時間的觸發(fā)器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的上煤，可以混用休玩。其包含一個時間長度和一個回調(diào)（函數(shù)指針）。當(dāng)其加入到 RunLoop 時劫狠，RunLoop會注冊對應(yīng)的時間點(diǎn)拴疤，當(dāng)時間點(diǎn)到時，RunLoop會被喚醒以執(zhí)行那個回調(diào)独泞。

CFRunLoopObserverRef 是觀察者遥赚，每個 Observer 都包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針），當(dāng) RunLoop 的狀態(tài)發(fā)生變化時阐肤，觀察者就能通過回調(diào)接受到這個變化〗部玻可以觀測的時間點(diǎn)有以下幾個：

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
};

上面的 Source/Timer/Observer 被統(tǒng)稱為 mode item孕惜，一個 item 可以被同時加入多個 mode。但一個 item 被重復(fù)加入同一個 mode 時是不會有效果的晨炕。如果一個 mode 中一個 item 都沒有衫画，則 RunLoop 會直接退出，不進(jìn)入循環(huán)瓮栗。

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結(jié)構(gòu)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
    ...
};

這里有個概念叫 “CommonModes”：一個 Mode 可以將自己標(biāo)記為”Common”屬性（通過將其 ModeName 添加到 RunLoop 的 “commonModes” 中）削罩。每當(dāng) RunLoop 的內(nèi)容發(fā)生變化時，RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 里的 Source/Observer/Timer 同步到具有 “Common” 標(biāo)記的所有Mode里费奸。

應(yīng)用場景舉例：主線程的 RunLoop 里有兩個預(yù)置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode弥激。這兩個 Mode 都已經(jīng)被標(biāo)記為”Common”屬性。DefaultMode 是 App 平時所處的狀態(tài)愿阐，TrackingRunLoopMode 是追蹤 ScrollView 滑動時的狀態(tài)微服。當(dāng)你創(chuàng)建一個 Timer 并加到 DefaultMode 時，Timer 會得到重復(fù)回調(diào)缨历，但此時滑動一個TableView時以蕴，RunLoop 會將 mode 切換為 TrackingRunLoopMode，這時 Timer 就不會被回調(diào)辛孵，并且也不會影響到滑動操作丛肮。

有時你需要一個 Timer，在兩個 Mode 中都能得到回調(diào)魄缚，一種辦法就是將這個 Timer 分別加入這兩個 Mode宝与。還有一種方式，就是將 Timer 加入到頂層的 RunLoop 的 “commonModeItems” 中“楸睿”commonModeItems” 被 RunLoop 自動更新到所有具有”Common”屬性的 Mode 里去节值。

CFRunLoop對外暴露的管理 Mode 接口只有下面2個:

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面幾個：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

你只能通過 mode name 來操作內(nèi)部的 mode，當(dāng)你傳入一個新的 mode name 但 RunLoop 內(nèi)部沒有對應(yīng) mode 時榜聂，RunLoop會自動幫你創(chuàng)建對應(yīng)的 CFRunLoopModeRef搞疗。對于一個 RunLoop 來說，其內(nèi)部的 mode 只能增加不能刪除须肆。

蘋果公開提供的 Mode 有兩個：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode匿乃，你可以用這兩個 Mode Name 來操作其對應(yīng)的 Mode。

同時蘋果還提供了一個操作 Common 標(biāo)記的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)豌汇，你可以用這個字符串來操作 Common Items幢炸，或標(biāo)記一個 Mode 為 “Common”。使用時注意區(qū)分這個字符串和其他 mode name拒贱。

RunLoop 的內(nèi)部邏輯

根據(jù)蘋果在文檔里的說明宛徊，RunLoop 內(nèi)部的邏輯大致如下:

image

其內(nèi)部代碼整理如下 （太長了不想看可以直接跳過去，后面會有說明）：

/// 用DefaultMode啟動
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode啟動逻澳，允許設(shè)置RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的實(shí)現(xiàn)
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根據(jù)modeName找到對應(yīng)mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里沒有source/timer/observer, 直接返回闸天。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進(jìn)入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 內(nèi)部函數(shù)斜做，進(jìn)入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
 
            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發(fā) Timer 回調(diào)苞氮。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發(fā) Source0 (非port) 回調(diào)。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 執(zhí)行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            /// 4. RunLoop 觸發(fā) Source0 (非port) 回調(diào)瓤逼。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 執(zhí)行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 處于 ready 狀態(tài)笼吟，直接處理這個 Source1 然后跳轉(zhuǎn)去處理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進(jìn)入休眠(sleep)霸旗。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 調(diào)用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息贷帮。線程將進(jìn)入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒。
            /// ? 一個基于 port 的Source 的事件诱告。
            /// ? 一個 Timer 到時間了
            /// ? RunLoop 自身的超時時間到了
            /// ? 被其他什么調(diào)用者手動喚醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
 
            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了皿桑。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息，處理消息蔬啡。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一個 Timer 到時間了诲侮，觸發(fā)這個Timer的回調(diào)。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block箱蟆，執(zhí)行block沟绪。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
 
            /// 9.3 如果一個 Source1 (基于port) 發(fā)出事件了，處理這個事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            /// 執(zhí)行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
 
            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 進(jìn)入loop時參數(shù)說處理完事件就返回空猜。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出傳入?yún)?shù)標(biāo)記的超時時間了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部調(diào)用者強(qiáng)制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一個都沒有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果沒超時绽慈，mode里沒空恨旱，loop也沒被停止，那繼續(xù)loop坝疼。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出搜贤。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到，實(shí)際上 RunLoop 就是這樣一個函數(shù)钝凶，其內(nèi)部是一個 do-while 循環(huán)仪芒。當(dāng)你調(diào)用 CFRunLoopRun() 時，線程就會一直停留在這個循環(huán)里耕陷；直到超時或被手動停止掂名，該函數(shù)才會返回。

RunLoop 的底層實(shí)現(xiàn)

從上面代碼可以看到哟沫，RunLoop 的核心是基于 mach port 的饺蔑，其進(jìn)入休眠時調(diào)用的函數(shù)是 mach_msg()。為了解釋這個邏輯嗜诀，下面稍微介紹一下 OSX/iOS 的系統(tǒng)架構(gòu)猾警。

image

蘋果官方將整個系統(tǒng)大致劃分為上述4個層次：
應(yīng)用層包括用戶能接觸到的圖形應(yīng)用，例如 Spotlight隆敢、Aqua发皿、SpringBoard 等。
應(yīng)用框架層即開發(fā)人員接觸到的 Cocoa 等框架筑公。
核心框架層包括各種核心框架、OpenGL 等內(nèi)容尊浪。
Darwin 即操作系統(tǒng)的核心匣屡，包括系統(tǒng)內(nèi)核、驅(qū)動拇涤、Shell 等內(nèi)容捣作，這一層是開源的，其所有源碼都可以在 opensource.apple.com 里找到鹅士。

我們在深入看一下 Darwin 這個核心的架構(gòu)：

image

其中券躁，在硬件層上面的三個組成部分：Mach、BSD掉盅、IOKit (還包括一些上面沒標(biāo)注的內(nèi)容)也拜，共同組成了 XNU 內(nèi)核。
XNU 內(nèi)核的內(nèi)環(huán)被稱作 Mach趾痘，其作為一個微內(nèi)核慢哈，僅提供了諸如處理器調(diào)度、IPC (進(jìn)程間通信)等非常少量的基礎(chǔ)服務(wù)永票。
BSD 層可以看作圍繞 Mach 層的一個外環(huán)卵贱，其提供了諸如進(jìn)程管理滥沫、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等功能。
IOKit 層是為設(shè)備驅(qū)動提供了一個面向?qū)ο?C++)的一個框架键俱。

Mach 本身提供的 API 非常有限兰绣，而且蘋果也不鼓勵使用 Mach 的 API，但是這些API非潮嗾瘢基礎(chǔ)缀辩，如果沒有這些API的話，其他任何工作都無法實(shí)施党觅。在 Mach 中雌澄，所有的東西都是通過自己的對象實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)程杯瞻、線程和虛擬內(nèi)存都被稱為”對象”镐牺。和其他架構(gòu)不同， Mach 的對象間不能直接調(diào)用魁莉，只能通過消息傳遞的方式實(shí)現(xiàn)對象間的通信睬涧。”消息”是 Mach 中最基礎(chǔ)的概念旗唁，消息在兩個端口 (port) 之間傳遞畦浓，這就是 Mach 的 IPC (進(jìn)程間通信) 的核心。

Mach 的消息定義是在 <mach/message.h> 頭文件的检疫，很簡單：

typedef struct {
  mach_msg_header_t header;
  mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t;
 
typedef struct {
  mach_msg_bits_t msgh_bits;
  mach_msg_size_t msgh_size;
  mach_port_t msgh_remote_port;
  mach_port_t msgh_local_port;
  mach_port_name_t msgh_voucher_port;
  mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t;

一條 Mach 消息實(shí)際上就是一個二進(jìn)制數(shù)據(jù)包 (BLOB)讶请，其頭部定義了當(dāng)前端口 local_port 和目標(biāo)端口 remote_port，
發(fā)送和接受消息是通過同一個 API 進(jìn)行的屎媳，其 option 標(biāo)記了消息傳遞的方向：

mach_msg_return_t mach_msg(
            mach_msg_header_t *msg,
            mach_msg_option_t option,
            mach_msg_size_t send_size,
            mach_msg_size_t rcv_size,
            mach_port_name_t rcv_name,
            mach_msg_timeout_t timeout,
            mach_port_name_t notify);

為了實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送和接收夺溢，mach_msg() 函數(shù)實(shí)際上是調(diào)用了一個 Mach 陷阱 (trap)，即函數(shù)mach_msg_trap()烛谊，陷阱這個概念在 Mach 中等同于系統(tǒng)調(diào)用风响。當(dāng)你在用戶態(tài)調(diào)用 mach_msg_trap() 時會觸發(fā)陷阱機(jī)制，切換到內(nèi)核態(tài)丹禀；內(nèi)核態(tài)中內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的 mach_msg() 函數(shù)會完成實(shí)際的工作状勤，如下圖：

image

這些概念可以參考維基百科: System_call、Trap_(computing)双泪。

RunLoop 的核心就是一個 mach_msg() (見上面代碼的第7步)持搜，RunLoop 調(diào)用這個函數(shù)去接收消息，如果沒有別人發(fā)送 port 消息過來焙矛，內(nèi)核會將線程置于等待狀態(tài)朵诫。例如你在模擬器里跑起一個 iOS 的 App，然后在 App 靜止時點(diǎn)擊暫停薄扁，你會看到主線程調(diào)用棧是停留在 mach_msg_trap() 這個地方剪返。

關(guān)于具體的如何利用 mach port 發(fā)送信息废累，可以看看 NSHipster 這一篇文章，或者這里的中文翻譯 脱盲。

蘋果用 RunLoop 實(shí)現(xiàn)的功能

首先我們可以看一下 App 啟動后 RunLoop 的狀態(tài)：

CFRunLoop {
    current mode = kCFRunLoopDefaultMode
    common modes = {
        UITrackingRunLoopMode
        kCFRunLoopDefaultMode
    }
 
    common mode items = {
 
        // source0 (manual)
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = _UIApplicationHandleEventQueue}}
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = PurpleEventSignalCallback }}
        CFRunLoopSource {order = 0, {
            callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
 
        // source1 (mach port)
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 17923}}
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 12039}}
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 16647}}
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = PurpleEventCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 2407,
            callout = _ZL20notify_port_callbackP12__CFMachPortPvlS1_}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1c03,
            callout = __IOHIDEventSystemClientAvailabilityCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1b03,
            callout = __IOHIDEventSystemClientQueueCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 1, {port = 1903,
            callout = __IOMIGMachPortPortCallback}}
 
        // Ovserver
        CFRunLoopObserver {order = -2147483647, activities = 0x1, // Entry
            callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
        CFRunLoopObserver {order = 0, activities = 0x20,          // BeforeWaiting
            callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver}
        CFRunLoopObserver {order = 1999000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
            callout = _afterCACommitHandler}
        CFRunLoopObserver {order = 2000000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
            callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
        CFRunLoopObserver {order = 2147483647, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
            callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
 
        // Timer
        CFRunLoopTimer {firing = No, interval = 3.1536e+09, tolerance = 0,
            next fire date = 453098071 (-4421.76019 @ 96223387169499),
            callout = _ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv (QuartzCore.framework)}
    },
 
    modes ＝ {
        CFRunLoopMode  {
            sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            observers = { /* same as 'common mode items' */ },
            timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            observers = { /* same as 'common mode items' */ },
            timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = {
                CFRunLoopSource {order = 0, {
                    callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
            },
            sources1 = (null),
            observers = {
                CFRunLoopObserver >{activities = 0xa0, order = 2000000,
                    callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
            )},
            timers = (null),
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = {
                CFRunLoopSource {order = -1, {
                    callout = PurpleEventSignalCallback}}
            },
            sources1 = {
                CFRunLoopSource {order = -1, {
                    callout = PurpleEventCallback}}
            },
            observers = (null),
            timers = (null),
        },
        
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = (null),
            sources1 = (null),
            observers = (null),
            timers = (null),
        }
    }
}

可以看到邑滨，系統(tǒng)默認(rèn)注冊了5個Mode:

1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默認(rèn) Mode，通常主線程是在這個 Mode 下運(yùn)行的钱反。
2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟蹤 Mode掖看，用于 ScrollView 追蹤觸摸滑動，保證界面滑動時不受其他 Mode 影響面哥。
3. UIInitializationRunLoopMode: 在剛啟動 App 時第進(jìn)入的第一個 Mode哎壳，啟動完成后就不再使用。
4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統(tǒng)事件的內(nèi)部 Mode尚卫，通常用不到归榕。
5. kCFRunLoopCommonModes: 這是一個占位的 Mode，沒有實(shí)際作用吱涉。

你可以在這里看到更多的蘋果內(nèi)部的 Mode刹泄，但那些 Mode 在開發(fā)中就很難遇到了。

當(dāng) RunLoop 進(jìn)行回調(diào)時怎爵，一般都是通過一個很長的函數(shù)調(diào)用出去 (call out), 當(dāng)你在你的代碼中下斷點(diǎn)調(diào)試時特石，通常能在調(diào)用棧上看到這些函數(shù)。下面是這幾個函數(shù)的整理版本鳖链，如果你在調(diào)用棧中看到這些長函數(shù)名姆蘸，在這里查找一下就能定位到具體的調(diào)用地點(diǎn)了：

{
    /// 1. 通知Observers，即將進(jìn)入RunLoop
    /// 此處有Observer會創(chuàng)建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);
    do {
 
        /// 2. 通知 Observers: 即將觸發(fā) Timer 回調(diào)芙委。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
        /// 3. 通知 Observers: 即將觸發(fā) Source (非基于port的,Source0) 回調(diào)逞敷。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        /// 4. 觸發(fā) Source0 (非基于port的) 回調(diào)。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        /// 6. 通知Observers题山，即將進(jìn)入休眠
        /// 此處有Observer釋放并新建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); _objc_autoreleasePoolPush();
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting);
 
        /// 7. sleep to wait msg.
        mach_msg() -> mach_msg_trap();
        
 
        /// 8. 通知Observers兰粉，線程被喚醒
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);
 
        /// 9. 如果是被Timer喚醒的故痊，回調(diào)Timer
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);
 
        /// 9. 如果是被dispatch喚醒的顶瞳，執(zhí)行所有調(diào)用 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);
 
        /// 9. 如果如果Runloop是被 Source1 (基于port的) 的事件喚醒了，處理這個事件
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);
 
 
    } while (...);
 
    /// 10. 通知Observers愕秫，即將退出RunLoop
    /// 此處有Observer釋放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

AutoreleasePool

App啟動后慨菱，蘋果在主線程 RunLoop 里注冊了兩個 Observer，其回調(diào)都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()戴甩。

第一個 Observer 監(jiān)視的事件是 Entry(即將進(jìn)入Loop)符喝，其回調(diào)內(nèi)會調(diào)用 _objc_autoreleasePoolPush() 創(chuàng)建自動釋放池。其 order 是-2147483647甜孤，優(yōu)先級最高协饲，保證創(chuàng)建釋放池發(fā)生在其他所有回調(diào)之前畏腕。

第二個 Observer 監(jiān)視了兩個事件： BeforeWaiting(準(zhǔn)備進(jìn)入休眠) 時調(diào)用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池并創(chuàng)建新池；Exit(即將退出Loop) 時調(diào)用 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池茉稠。這個 Observer 的 order 是 2147483647描馅，優(yōu)先級最低，保證其釋放池子發(fā)生在其他所有回調(diào)之后而线。

在主線程執(zhí)行的代碼铭污，通常是寫在諸如事件回調(diào)、Timer回調(diào)內(nèi)的膀篮。這些回調(diào)會被 RunLoop 創(chuàng)建好的 AutoreleasePool 環(huán)繞著嘹狞，所以不會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，開發(fā)者也不必顯示創(chuàng)建 Pool 了誓竿。

事件響應(yīng)

蘋果注冊了一個 Source1 (基于 mach port 的) 用來接收系統(tǒng)事件磅网，其回調(diào)函數(shù)為 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

當(dāng)一個硬件事件(觸摸/鎖屏/搖晃等)發(fā)生后烤黍，首先由 IOKit.framework 生成一個 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收知市。這個過程的詳細(xì)情況可以參考這里。SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等)速蕊，觸摸嫂丙，加速，接近傳感器等幾種 Event规哲，隨后用 mach port 轉(zhuǎn)發(fā)給需要的App進(jìn)程跟啤。隨后蘋果注冊的那個 Source1 就會觸發(fā)回調(diào)，并調(diào)用 _UIApplicationHandleEventQueue() 進(jìn)行應(yīng)用內(nèi)部的分發(fā)唉锌。

_UIApplicationHandleEventQueue() 會把 IOHIDEvent 處理并包裝成 UIEvent 進(jìn)行處理或分發(fā)隅肥，其中包括識別 UIGesture/處理屏幕旋轉(zhuǎn)/發(fā)送給 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 點(diǎn)擊袄简、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在這個回調(diào)中完成的腥放。

手勢識別

當(dāng)上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 識別了一個手勢時，其首先會調(diào)用 Cancel 將當(dāng)前的 touchesBegin/Move/End 系列回調(diào)打斷绿语。隨后系統(tǒng)將對應(yīng)的 UIGestureRecognizer 標(biāo)記為待處理秃症。

蘋果注冊了一個 Observer 監(jiān)測 BeforeWaiting (Loop即將進(jìn)入休眠) 事件，這個Observer的回調(diào)函數(shù)是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()吕粹，其內(nèi)部會獲取所有剛被標(biāo)記為待處理的 GestureRecognizer种柑，并執(zhí)行GestureRecognizer的回調(diào)。

當(dāng)有 UIGestureRecognizer 的變化(創(chuàng)建/銷毀/狀態(tài)改變)時匹耕，這個回調(diào)都會進(jìn)行相應(yīng)處理聚请。

界面更新

當(dāng)在操作 UI 時，比如改變了 Frame稳其、更新了 UIView/CALayer 的層次時驶赏，或者手動調(diào)用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后炸卑，這個 UIView/CALayer 就被標(biāo)記為待處理，并被提交到一個全局的容器去煤傍。

蘋果注冊了一個 Observer 監(jiān)聽 BeforeWaiting(即將進(jìn)入休眠) 和 Exit (即將退出Loop) 事件矾兜，回調(diào)去執(zhí)行一個很長的函數(shù)：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。這個函數(shù)里會遍歷所有待處理的 UIView/CAlayer 以執(zhí)行實(shí)際的繪制和調(diào)整患久，并更新 UI 界面椅寺。

這個函數(shù)內(nèi)部的調(diào)用棧大概是這樣的：

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()
    QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback:
        CA::Transaction::commit();
            CA::Context::commit_transaction();
                CA::Layer::layout_and_display_if_needed();
                    CA::Layer::layout_if_needed();
                        [CALayer layoutSublayers];
                            [UIView layoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                        [CALayer display];
                            [UIView drawRect];

定時器

NSTimer 其實(shí)就是 CFRunLoopTimerRef，他們之間是 toll-free bridged 的蒋失。一個 NSTimer 注冊到 RunLoop 后返帕，RunLoop 會為其重復(fù)的時間點(diǎn)注冊好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 這幾個時間點(diǎn)篙挽。RunLoop為了節(jié)省資源荆萤，并不會在非常準(zhǔn)確的時間點(diǎn)回調(diào)這個Timer。Timer 有個屬性叫做 Tolerance (寬容度)铣卡，標(biāo)示了當(dāng)時間點(diǎn)到后链韭，容許有多少最大誤差。

如果某個時間點(diǎn)被錯過了煮落，例如執(zhí)行了一個很長的任務(wù)敞峭，則那個時間點(diǎn)的回調(diào)也會跳過去，不會延后執(zhí)行蝉仇。就比如等公交旋讹，如果 10:10 時我忙著玩手機(jī)錯過了那個點(diǎn)的公交，那我只能等 10:20 這一趟了轿衔。

CADisplayLink 是一個和屏幕刷新率一致的定時器（但實(shí)際實(shí)現(xiàn)原理更復(fù)雜沉迹，和 NSTimer 并不一樣，其內(nèi)部實(shí)際是操作了一個 Source）害驹。如果在兩次屏幕刷新之間執(zhí)行了一個長任務(wù)鞭呕，那其中就會有一幀被跳過去（和 NSTimer 相似），造成界面卡頓的感覺宛官。在快速滑動TableView時葫松，即使一幀的卡頓也會讓用戶有所察覺。Facebook 開源的 AsyncDisplayLink 就是為了解決界面卡頓的問題摘刑，其內(nèi)部也用到了 RunLoop.

PerformSelecter

當(dāng)調(diào)用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 后进宝，實(shí)際上其內(nèi)部會創(chuàng)建一個 Timer 并添加到當(dāng)前線程的 RunLoop 中刻坊。所以如果當(dāng)前線程沒有 RunLoop枷恕，則這個方法會失效。

當(dāng)調(diào)用 performSelector:onThread: 時谭胚，實(shí)際上其會創(chuàng)建一個 Timer 加到對應(yīng)的線程去徐块，同樣的未玻，如果對應(yīng)線程沒有 RunLoop 該方法也會失效。

關(guān)于GCD

當(dāng)調(diào)用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 時胡控，libDispatch 會向主線程的 RunLoop 發(fā)送消息扳剿，RunLoop會被喚醒，并從消息中取得這個 block昼激，并在回調(diào) __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 里執(zhí)行這個 block庇绽。但這個邏輯僅限于 dispatch 到主線程，dispatch 到其他線程仍然是由 libDispatch 處理的橙困。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)請求

iOS 中瞧掺，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)請求的接口自下至上有如下幾層:

CFSocket
CFNetwork       ->ASIHttpRequest
NSURLConnection ->AFNetworking
NSURLSession    ->AFNetworking2, Alamofire

• CFSocket 是最底層的接口，只負(fù)責(zé) socket 通信凡傅。
• CFNetwork 是基于 CFSocket 等接口的上層封裝辟狈，ASIHttpRequest 工作于這一層。
• NSURLConnection 是基于 CFNetwork 的更高層的封裝夏跷，提供面向?qū)ο蟮慕涌诤咦珹FNetworking 工作于這一層。
• NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口槽华，表面上是和 NSURLConnection 并列的壹蔓，但底層仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 線程)，AFNetworking2 和 Alamofire 工作于這一層猫态。

下面主要介紹下 NSURLConnection 的工作過程庶溶。

通常使用 NSURLConnection 時，你會傳入一個 Delegate懂鸵，當(dāng)調(diào)用了 [connection start] 后偏螺，這個 Delegate 就會不停收到事件回調(diào)。實(shí)際上匆光，start 這個函數(shù)的內(nèi)部會會獲取 CurrentRunLoop套像，然后在其中的 DefaultMode 添加了4個 Source0 (即需要手動觸發(fā)的Source)。CFMultiplexerSource 是負(fù)責(zé)各種 Delegate 回調(diào)的终息，CFHTTPCookieStorage 是處理各種 Cookie 的夺巩。

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周崭。其中 CFSocket 線程是處理底層 socket 連接的柳譬。NSURLConnectionLoader 這個線程內(nèi)部會使用 RunLoop 來接收底層 socket 的事件，并通過之前添加的 Source0 通知到上層的 Delegate续镇。

image

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通過一些基于 mach port 的 Source 接收來自底層 CFSocket 的通知美澳。當(dāng)收到通知后，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制跟。CFMultiplexerSource 會在 Delegate 線程的 RunLoop 對 Delegate 執(zhí)行實(shí)際的回調(diào)舅桩。

RunLoop 的實(shí)際應(yīng)用舉例

AFNetworking

AFURLConnectionOperation 這個類是基于 NSURLConnection 構(gòu)建的，其希望能在后臺線程接收 Delegate 回調(diào)雨膨。為此 AFNetworking 單獨(dú)創(chuàng)建了一個線程擂涛，并在這個線程中啟動了一個 RunLoop：

+ (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;
}

RunLoop 啟動前內(nèi)部必須要有至少一個 Timer/Observer/Source，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先創(chuàng)建了一個新的 NSMachPort 添加進(jìn)去了聊记。通常情況下撒妈，調(diào)用者需要持有這個 NSMachPort (mach_port) 并在外部線程通過這個 port 發(fā)送消息到 loop 內(nèi)；但此處添加 port 只是為了讓 RunLoop 不至于退出排监，并沒有用于實(shí)際的發(fā)送消息踩身。

- (void)start {
    [self.lock lock];
    if ([self isCancelled]) {
        [self performSelector:@selector(cancelConnection) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
    } else if ([self isReady]) {
        self.state = AFOperationExecutingState;
        [self performSelector:@selector(operationDidStart) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
    }
    [self.lock unlock];
}

當(dāng)需要這個后臺線程執(zhí)行任務(wù)時，AFNetworking 通過調(diào)用 [NSObject performSelector:onThread:..] 將這個任務(wù)扔到了后臺線程的 RunLoop 中社露。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit是 Facebook 推出的用于保持界面流暢性的框架挟阻，其原理大致如下：

UI 線程中一旦出現(xiàn)繁重的任務(wù)就會導(dǎo)致界面卡頓，這類任務(wù)通常分為3類：排版峭弟，繪制附鸽，UI對象操作。

• 排版通常包括計(jì)算視圖大小瞒瘸、計(jì)算文本高度坷备、重新計(jì)算子式圖的排版等操作。
• 繪制一般有文本繪制 (例如 CoreText)情臭、圖片繪制 (例如預(yù)先解壓)省撑、元素繪制 (Quartz)等操作。
• UI對象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 對象的創(chuàng)建俯在、設(shè)置屬性和銷毀竟秫。

其中前兩類操作可以通過各種方法扔到后臺線程執(zhí)行，而最后一類操作只能在主線程完成跷乐，并且有時后面的操作需要依賴前面操作的結(jié)果 （例如TextView創(chuàng)建時可能需要提前計(jì)算出文本的大蟹拾堋）。ASDK 所做的愕提，就是盡量將能放入后臺的任務(wù)放入后臺馒稍，不能的則盡量推遲 (例如視圖的創(chuàng)建、屬性的調(diào)整)浅侨。

為此纽谒，ASDK 創(chuàng)建了一個名為 ASDisplayNode 的對象，并在內(nèi)部封裝了 UIView/CALayer如输，它具有和 UIView/CALayer 相似的屬性鼓黔，例如 frame央勒、backgroundColor等。所有這些屬性都可以在后臺線程更改请祖，開發(fā)者可以只通過 Node 來操作其內(nèi)部的 UIView/CALayer，這樣就可以將排版和繪制放入了后臺線程脖祈。但是無論怎么操作肆捕，這些屬性總需要在某個時刻同步到主線程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式盖高，實(shí)現(xiàn)了一套類似的界面更新的機(jī)制：即在主線程的 RunLoop 中添加一個 Observer慎陵，監(jiān)聽了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回調(diào)時喻奥，遍歷所有之前放入隊(duì)列的待處理的任務(wù)席纽，然后一一執(zhí)行。