一个创建自定义事件源的例子

上一篇文章我们介绍了RunLoop的相关知识,但是毕竟我们实际开发中很少应用,今天我们就通过介绍RunLoop在iOS系统中的应用,来实现一个小小的demo,启发我们在开发过程中设计代码架构时的思路。

RunLoop 的适用场景

回顾一下上一篇文章的介绍,只有当你为你的应用创建子线程时,才可能需要显式的运行一个 RunLoop 。而主线程的 RunLoop 是自动启动循环。对于子线程,当线程有更多交互的情况。例如:

  • 使用端口或自定义输入源来与其他线程通信。
  • 在线程上使用计时器。
  • 在程序中使用任何performSelector方法。
  • 使线程执行周期任务

则你需要启动一个 RunLoop 。

RunLoop 的使用

RunLoop 对象为主要界面提供添加输入源、计时器和 RunLoop 观察者到你的 RunLoop 并运行之。每个线程都有一个单独的 RunLoop 对象与之相关联。在Cocoa,这个对象是 NSRunLoop 类的一个实例。在底层应用中,它是一个指向 CFRunLoopRef 不透明类型的指针。

获取 RunLoop 对象

为了获取当前线程的 RunLoop ,你可以使用下列方法之一:

  • 使用 NSRunLoop 的 CurrentRunLoop 类方法来获取一个 NSRunLoop 对象。
  • 使用 CFRunLoopGetCurrent 函数。

当需要时,你可以从 NSRunLoop 对象获取一个 CFRunLoopRef 不透明类型指针。NSRunLoop 类定义了一个 GetCFRunLoop 方法,返回一个 CFRunLoopRef 类型,你可以传递到核心基础程序。因为两个对象引用相同 NSRunLoop ,如果需要你可以混合调用 NSRunLoop 对象和 CFRunLoopRef 不透明类型。

配置运行循环

在子线程运行一个 RunLoop 之前,你必须添加至少一个输入源或计时器到 RunLoop 上。如果一个 RunLoop 没有任何来源要监控,当你试图运行它时,它会立即退出。

除了增加来源,你可以增加 RunLoop 观察者并使用它们来监测 RunLoop 的不同执行阶段。为了增加一个 RunLoop 观察者,创建一个 CFRunLoopObserverRef 不透明类型并使用 CFRunLoopAddObserver 函数来添加到你的 RunLoop 上。

下面的代码向你展示如何创建 RunLoop 观察者,因此代码简单的设置了一个 RunLoop 来监视所有 RunLoop 活动。

- (void)threadMain
{
    // The application uses garbage collection, so no autorelease pool is needed.
    NSRunLoop* myRunLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    // Create a run loop observer and attach it to the run loop.
    CFRunLoopObserverContext  context = {0, self, NULL, NULL, NULL};
    CFRunLoopObserverRef    observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault,
            kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, &myRunLoopObserver, &context);
    if (observer)
    {
        CFRunLoopRef    cfLoop = [myRunLoop getCFRunLoop];
        CFRunLoopAddObserver(cfLoop, observer, kCFRunLoopDefaultMode);
    }
    // Create and schedule the timer.
    [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:0.1 target:self
                selector:@selector(doFireTimer:) userInfo:nil repeats:YES];
    NSInteger    loopCount = 10;
    do
    {
        // Run the run loop 10 times to let the timer fire.
        [myRunLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:1]];
        loopCount--;
    }
    while (loopCount);
}

当为一个长期线程配置 RunLoop ,最好添加至少一个输入源来接收消息。尽管你可以仅添加一个计时器来进入 RunLoop ,一旦计时器触发后,它通常是无效的,这将导致 RunLoop 退出。附加一个重复的计时器可以保持 RunLoop 运行一段较长的时间,但会涉及到周期性的触发计时器唤醒你的线程,这实际上是另一种形式的轮询。相比之下,一个输入源等待事件发生,保持你的线程休眠直到它完成。

启动运行循环

只有子线程才需要启动 RunLoop 。一个 RunLoop 必须至少有一个输入源或计时器用于监控。如果没有,运行循环将立即退出。

有以下几种方法来启动 RunLoop :

  • 无条件的:

无条件的进入你的 RunLoop 是最简单的选择,但也是最不可取的。无条件的运行你的 RunLoop 将线程放置到一个永久循环,你对 RunLoop 本身只有很少的控制。你可以添加和删除输入源和计时器,但停止 RunLoop 的唯一方法是杀死它。也没办法在自定义模式下运行 RunLoop 。

  • 设置时间限制:

相比无条件的运行一个 RunLoop ,运行一个有超时值的 RunLoop 是更好的。当你使用一个超时值时,RunLoop 持续运行直到一个事件到达或者分配的时间过期。如果一个事件到达,该事件被分配到一个处理程序来处理,RunLoop 退出。你的代码可以重新启动 RunLoop 来处理下一个事件。如果分配的时间过期,你可以简单的重启 RunLoop。

  • 在一个特定的模式:

除了设置超时时间,你也可以使用特定模式来运行你的 RunLoop 。模式和超时时间并不互斥,在启动 RunLoop 时都可以使用。

下面一段代码展示了子线程主入口该怎么设计。这个例子的关键部分展示了 RunLoop 的基本结构。从本质上说,你添加输入源和计时器到 RunLoop ,然后反复调用程序来启动 RunLoop 。每次 RunLoop 程序返回,检查是否出现任何条件批准线程退出。

- (void)skeletonThreadMain
{
    // Set up an autorelease pool here if not using garbage collection.
    BOOL done = NO;
    // Add your sources or timers to the run loop and do any other setup.
    do
    {
        // Start the run loop but return after each source is handled.
        SInt32    result = CFRunLoopRunInMode(kCFRunLoopDefaultMode, 10, YES);
        // If a source explicitly stopped the run loop, or if there are no
        // sources or timers, go ahead and exit.
        if ((result == kCFRunLoopRunStopped) || (result == kCFRunLoopRunFinished))
            done = YES;
        // Check for any other exit conditions here and set the
        // done variable as needed.
    }
    while (!done);
    // Clean up code here. Be sure to release any allocated autorelease pools.
}

可以递归的运行一个 RunLoop 。换句话说,你可以调用 CFRunLoopRun, CFRunLoopRunInMode 或任何 NSRunLoop 方法来启动 RunLoop ,但其中必须有输入源或计时器的处理模块。当这样做时,你可以使用任何你想要的方式来运行嵌套的 RunLoop ,包括在 RunLoop 外使用的模式。

退出运行循环

有两种方法可以使 RunLoop 在处理事件前退出:

  • 配置 RunLoop 一个超时值:

使用一个超时值当然是首选,如果你可以管理它。指定一个超时值,让 RunLoop 完成所有正常进程,包括在退出前通知 RunLoop 观察者。

  • 告知 RunLoop 停止:

显式的使用 CFRunLoopStop 函数停止 RunLoop 产生的结果类似于超时。 RunLoop 发送任何剩余 RunLoop 通知然后退出。不同的是你可以在无条件启动 RunLoop 时使用此方法。

注意:尽管删除 RunLoop 的输入源和计时器也可能导致 RunLoop 退出,但这并不是常规的方式。某些时候一些系统程序会注入输入源到 RunLoop 来处理事件,你无法了解到是否有系统添加的输入源,这将阻止 RunLoop 退出。

RunLoop 在iOS中的应用

AutoreleasePool

App启动后,苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer,其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入Loop),其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647,优先级最高,保证创建释放池发生在其他所有回调之前。

第二个 Observer 监视了两个事件: BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池;Exit(即将退出Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647,优先级最低,保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

在主线程执行的代码,通常是写在诸如事件回调、Timer回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着,所以不会出现内存泄漏,开发者也不必显示创建 Pool 了。

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(触摸/锁屏/摇晃等)发生后,首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。这个过程的详细情况可以参考这里。SpringBoard 只接收按键(锁屏/静音等),触摸,加速,接近传感器等几种 Event,随后用 mach port 转发给需要的App进程。随后苹果注册的那个 Source1 就会触发回调,并调用 _UIApplicationHandleEventQueue() 进行应用内部的分发。

 _UIApplicationHandleEventQueue() 会把 IOHIDEvent 处理并包装成 UIEvent 进行处理或分发,其中包括识别 UIGesture/处理屏幕旋转/发送给 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在这个回调中完成的。

手势识别

当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时,其首先会调用 Cancel 将当前的 touchesBegin/Move/End 系列回调打断。随后系统将对应的 UIGestureRecognizer 标记为待处理。

苹果注册了一个 Observer 监测 BeforeWaiting (Loop即将进入休眠) 事件,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。

当有 UIGestureRecognizer 的变化(创建/销毁/状态改变)时,这个回调都会进行相应处理。

界面更新

当在操作 UI 时,比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时,或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法后,这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理,并被提交到一个全局的容器去。

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。

     这个函数内部的调用栈大概是这样的:

_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];

网络请求

 iOS 中,关于网络请求的接口自下至上有如下几层:

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

• CFSocket 是最底层的接口,只负责 socket 通信。 • CFNetwork 是基于 CFSocket 等接口的上层封装,ASIHttpRequest 工作于这一层。 • NSURLConnection 是基于 CFNetwork 的更高层的封装,提供面向对象的接口,AFNetworking 工作于这一层。 • NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口,表面上是和 NSURLConnection 并列的,但底层仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 线程),AFNetworking2 和 Alamofire 工作于这一层。

通常使用 NSURLConnection 时,你会传入一个 Delegate,当调用了 [connection start] 后,这个 Delegate 就会不停收到事件回调。实际上,start 这个函数的内部会会获取 CurrentRunLoop,然后在其中的 DefaultMode 添加了4个 Source0 (即需要手动触发的Source)。CFMultiplexerSource 是负责各种 Delegate 回调的,CFHTTPCookieStorage 是处理各种 Cookie 的。

当开始网络传输时,我们可以看到 NSURLConnection 创建了两个新线程:com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 线程是处理底层 socket 连接的。NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 来接收底层 socket 的事件,并通过之前添加的 Source0 通知到上层的 Delegate。

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通过一些基于 mach port 的 Source 接收来自底层 CFSocket 的通知。当收到通知后,其会在合适的时机向 CFMultiplexerSource 等 Source0 发送通知,同时唤醒 Delegate 线程的 RunLoop 来让其处理这些通知。CFMultiplexerSource 会在 Delegate 线程的 RunLoop 对 Delegate 执行实际的回调。

一个Demo

根据上面对NSURLConnection的介绍,我们模拟一个类似的设计来实现通过RunLoop来等待和处理事件。

第一步:创建任务线程

创建子线程,用于初始化一个接收自定义事件源。该子线程主函数入口设计如下:

- (void)main
{
    @autoreleasepool {
        NSRunLoop *currentRunLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        //自定义的输入事件源Source1,可以通过delegate回调,出发子线程处理方法
        self.customInputSource = [[CustomInputSource alloc] init];
        self.customInputSource.delegate = self;
        [self.customInputSource addToCurrentRunLoop];
        while (!self.cancelled) {
            //runloop结束前完成其他任务
            [self finishOtherTask];
            [currentRunLoop runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];
        }
    }
}

主函数初始化自定义的事件源,通过delegate的方式回调回来。并将事件源加入到当前的RunLoop中。

第二步:设计自定义事件源

自定义事件源包括初始化,添加事件源到指定RunLoop,从指定RunLoop中删除事件源等方法。而初始化方法中包含了Run Loop Source Context的三个回调方法,具体代码如下:

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        /*RunLoopSourceContext的三个回调方法:
         runLoopSourceScheduleRoutine():把当前的Run Loop Source添加到Run Loop中时,会回调这个方法。  
         假如主线程管理该Input source,可以使用performSelectorOnMainThread通知主线程。主线程和当前线程的通信使用CCRunLoopContext对象来完成。
         runLoopSourcePerformRoutine():当前Input source被告知需要处理事件.
         runLoopSourceCancelRoutine():如果使用CFRunLoopSourceInvalidate函数把输入源从Run Loop里面移除的话,系统会回调该方法。  
         我们在该方法中移除了主线程对当前Input source context的引用。
         */
        CFRunLoopSourceContext context = {0, (__bridge void *)(self), NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
            &runLoopSourceScheduleRoutine,
            &runLoopSourceCancelRoutine,
            &runLoopSourcePerformRoutine};
        _runLoopSource = CFRunLoopSourceCreate(kCFAllocatorDefault, 0, &context);
    }
    return self;
}

- (void)addToCurrentRunLoop
{
    CFRunLoopRef runLoop = CFRunLoopGetCurrent();
    CFRunLoopAddSource(runLoop, _runLoopSource, kCFRunLoopDefaultMode);
}

- (void)invalidate
{
    CFRunLoopRef runLoop = CFRunLoopGetCurrent();
    CFRunLoopRemoveSource(runLoop, _runLoopSource, kCFRunLoopDefaultMode);
} 

注意:通过上述代码可以看出,自定义的事件源的实例是触发子线程工作的钥匙,所以这个实例对象,需要被与子线程相关联的线程所hold住。

而触发自定义事件源的方法如下:

- (void)fireAllCommandsOnRunLoop:(CFRunLoopRef)runLoop
{
    CFRunLoopSourceSignal(_runLoopSource);
    CFRunLoopWakeUp(runLoop);
}

第三步:设计触发事件源的函数

这一步顾名思义,在其他数据准备好的时候,通过自定义事件源触发子线程的工作。

第四步:退出子线程RunLoop

退出RunLoop的方式也很简单,只需要将当前子线程的runLoop实例停止就可以了,代码如下:

- (void)stopThreadAndRunLoop:(CFRunLoopRef)runLoop
{
    CFRunLoopStop(runLoop);
    [_customInputSourceThread cancel];
}

经过上面四个步骤,你就已经设计了一个属于你自己的自定义事件源,这个事件会根据你数据的准备情况来主动唤醒子线程的RunLoop来处理具体事件,这样的好处不言而喻,充分利用了RunLoop的特性,非常适合类似网络请求这样的异步等待事件。

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