理解 runloop

iOS 和 OS X 開發(fā)中非常基礎(chǔ)的一個概念，這篇文章將從 CFRunLoop 的源碼入手，介紹 RunLoop 的概念以及底層實現(xiàn)原理。之后會介紹一下在 iOS 中甘晤，蘋果是如何利用 RunLoop 實現(xiàn)自動釋放池、延遲回調(diào)饲做、觸摸事件线婚、屏幕刷新等功能的。

1 runloop的概念

一般來講盆均，一個線程一次只能執(zhí)行一個任務(wù)塞弊，執(zhí)行完成后線程就會退出。如果我們需要一個機制，讓線程能隨時處理事件但并不退出游沿，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);
}

所以饰抒，RunLoop 實際上就是一個對象，這個對象管理了其需要處理的事件和消息诀黍，并提供了一個入口函數(shù)來執(zhí)行上面 Event Loop 的邏輯袋坑。線程執(zhí)行了這個函數(shù)后，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)中眯勾，直到這個循環(huán)結(jié)束（比如傳入 quit 的消息）枣宫，函數(shù)返回。

OSX/iOS 系統(tǒng)中吃环，提供了兩個這樣的對象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef也颤。
CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內(nèi)的，它提供了純 C 函數(shù)的 API郁轻，所有這些 API 都是線程安全的翅娶。
NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封裝，提供了面向?qū)ο蟮?API好唯，但是這些 API 不是線程安全的竭沫。

CFRunLoopRef 的代碼是開源的，你可以在這里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/ 下載到整個 CoreFoundation 的源碼來查看渠啊。
(Update: Swift 開源后，蘋果又維護了一個跨平臺的 CoreFoundation 版本：https://github.com/apple/swift-corelibs-foundation/权旷，這個版本的源碼可能和現(xiàn)有 iOS 系統(tǒng)中的實現(xiàn)略不一樣替蛉，但更容易編譯，而且已經(jīng)適配了 Linux/Windows拄氯。)

RunLoop 與線程的關(guān)系

首先躲查，iOS 開發(fā)中能遇到兩個線程對象: pthread_t 和 NSThread。過去蘋果有份文檔標明了 NSThread 只是 pthread_t 的封裝译柏，但那份文檔已經(jīng)失效了镣煮，現(xiàn)在它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread。蘋果并沒有提供這兩個對象相互轉(zhuǎn)換的接口鄙麦，但不管怎么樣典唇，可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應的。比如胯府，你可以通過 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主線程介衔；也可以通過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當前線程。CFRunLoop 是基于 pthread 來管理的骂因。
蘋果不允許直接創(chuàng)建 RunLoop炎咖，它只提供了兩個自動獲取的函數(shù)：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函數(shù)內(nèi)部的邏輯大概是下面這樣:

/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t乘盼， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
static CFSpinLock_t loopsLock;
 
/// 獲取一個 pthread 對應的 RunLoop升熊。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
    
    if (!loopsDic) {
        // 第一次進入時，初始化全局Dic绸栅，并先為主線程創(chuàng)建一個 RunLoop级野。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);//此處不難發(fā)現(xiàn) 一個線程對應的就是一個loop
    }
    
    /// 直接從 Dictionary 里獲取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
    
    if (!loop) {
        /// 取不到時阴幌，創(chuàng)建一個
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注冊一個回調(diào)勺阐，當線程銷毀時，順便也銷毀其對應的 RunLoop矛双。
        _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渊抽，線程和 RunLoop 之間是一一對應的，其關(guān)系是保存在一個全局的 Dictionary 里议忽。線程剛創(chuàng)建時并沒有 RunLoop懒闷，如果你不主動獲取，那它一直都不會有栈幸。RunLoop 的創(chuàng)建是發(fā)生在第一次獲取時愤估，RunLoop 的銷毀是發(fā)生在線程結(jié)束時。你只能在一個線程的內(nèi)部獲取其 RunLoop（主線程除外）速址。

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 類并沒有對外暴露玩焰，只是通過 CFRunLoopRef 的接口進行了封裝。他們的關(guān)系如下:

alt text

一個 RunLoop 包含若干個 Mode芍锚，每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer昔园。每次調(diào)用 RunLoop 的主函數(shù)時，只能指定其中一個 Mode并炮，這個Mode被稱作 CurrentMode默刚。如果需要切換 Mode，只能退出 Loop逃魄，再重新指定一個 Mode 進入荤西。這樣做主要是為了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer，讓其互不影響伍俘。

• CFRunLoopSourceRef 是事件產(chǎn)生的地方邪锌。Source有兩個版本：Source0 和 Source1。
• Source0 只包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針）癌瘾，它并不能主動觸發(fā)事件秃流。使用時，你需要先調(diào)用 CFRunLoopSourceSignal(source)柳弄，將這個 Source 標記為待處理舶胀，然后手動調(diào)用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop概说，讓其處理這個事件。
• Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調(diào)（函數(shù)指針）嚣伐，被用于通過內(nèi)核和其他線程相互發(fā)送消息糖赔。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程，其原理在下面會講到轩端。

CFRunLoopTimerRef 是基于時間的觸發(fā)器放典，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用基茵。其包含一個時間長度和一個回調(diào)（函數(shù)指針）奋构。當其加入到 RunLoop 時，RunLoop會注冊對應的時間點拱层，當時間點到時弥臼，RunLoop會被喚醒以執(zhí)行那個回調(diào)。

CFRunLoopObserverRef 是觀察者根灯，每個 Observer 都包含了一個回調(diào)（函數(shù)指針）径缅，當 RunLoop 的狀態(tài)發(fā)生變化時，觀察者就能通過回調(diào)接受到這個變化烙肺∧芍恚可以觀測的時間點有以下幾個：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即將進入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將進入休眠
    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，一個 item 可以被同時加入多個 mode桃笙。但一個 item 被重復加入同一個 mode 時是不會有效果的氏堤。如果一個 mode 中一個 item 都沒有，則 RunLoop 會直接退出搏明，不進入循環(huán)鼠锈。

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 可以將自己標記為”Common”屬性（通過將其 ModeName 添加到 RunLoop 的 “commonModes” 中）。每當 RunLoop 的內(nèi)容發(fā)生變化時熏瞄，RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 里的 Source/Observer/Timer 同步到具有 “Common” 標記的所有Mode里脚祟。

應用場景舉例：主線程的 RunLoop 里有兩個預置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode谬以。這兩個 Mode 都已經(jīng)被標記為”Common”屬性强饮。DefaultMode 是 App 平時所處的狀態(tài)，TrackingRunLoopMode 是追蹤 ScrollView 滑動時的狀態(tài)为黎。當你創(chuàng)建一個 Timer 并加到 DefaultMode 時邮丰，Timer 會得到重復回調(diào)，但此時滑動一個TableView時铭乾，RunLoop 會將 mode 切換為 TrackingRunLoopMode剪廉，這時 Timer 就不會被回調(diào)，并且也不會影響到滑動操作炕檩。

有時你需要一個 Timer斗蒋，在兩個 Mode 中都能得到回調(diào)捌斧，一種辦法就是將這個 Timer 分別加入這兩個 Mode。還有一種方式泉沾，就是將 Timer 加入到頂層的 RunLoop 的 “commonModeItems” 中捞蚂。”commonModeItems” 被 RunLoop 自動更新到所有具有”Common”屬性的 Mode 里去跷究。
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姓迅，當你傳入一個新的 mode name 但 RunLoop 內(nèi)部沒有對應 mode 時，RunLoop會自動幫你創(chuàng)建對應的 CFRunLoopModeRef俊马。對于一個 RunLoop 來說丁存，其內(nèi)部的 mode 只能增加不能刪除。

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

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

RunLoop 的內(nèi)部邏輯

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

alt text

其內(nèi)部代碼整理如下 （太長了不想看可以直接跳過去嘉抓，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，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的實現(xiàn)
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    
    /// 首先根據(jù)modeName找到對應mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里沒有source/timer/observer, 直接返回晕窑。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進入 loop抑片。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    /// 內(nèi)部函數(shù)，進入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)杨赤。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發(fā) Source0 (非port) 回調(diào)敞斋。
            __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)。
            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)疾牲，直接處理這個 Source1 然后跳轉(zhuǎn)去處理消息植捎。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
            
            /// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            /// 7. 調(diào)用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息阳柔。線程將進入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒焰枢。
            /// ? 一個基于 port 的Source 的事件。
            /// ? 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舌剂。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            /// 收到消息济锄，處理消息。
            handle_msg:
 
            /// 9.1 如果一個 Timer 到時間了霍转，觸發(fā)這個Timer的回調(diào)荐绝。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
 
            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，執(zhí)行block避消。
            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)出事件了低滩，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) {
                /// 進入loop時參數(shù)說處理完事件就返回召夹。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出傳入?yún)?shù)標記的超時時間了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部調(diào)用者強制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一個都沒有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            /// 如果沒超時，mode里沒空恕沫，loop也沒被停止戳鹅，那繼續(xù)loop。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出昏兆。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到枫虏，實際上 RunLoop 就是這樣一個函數(shù)，其內(nèi)部是一個 do-while 循環(huán)爬虱。當你調(diào)用 CFRunLoopRun() 時隶债，線程就會一直停留在這個循環(huán)里；直到超時或被手動停止跑筝，該函數(shù)才會返回死讹。

參考文檔鏈接：
如何理解runloop