再谈RunLoop

RunLoop

一 概述:

  • 一句话解释RunLoop:运行任务的循环。
  • 为什么要有RunLoop:解决交互式UI设计中的一个问题,如何快速响应用户输入,如何快速将程序运行结果输出到屏幕? 计算机是个笨蛋,同一个时间里只能做同一件事情。要么处理计算任务, 要么轮询各种I/O 接口。 那么,在没有线程的情况下,如何在计算的同时, 又能够轮询各种I/O接口,以迅捷的 和用户交互呢? CS的科学家给出的答案是:看起来够迅捷就行。人的反应速度是有上限的, 因此只要把 计算机的运行时间划分成很多小片段,小到小于人的反应时间, 那么就可以从这些时间片段 中“偷”出一些时间来处理计算任务了。 这么说似乎比较抽象。用个例子可以说明runloop的原理: 要求实现一个程序,当程序运行 后,用户每敲击一个字符, 就直接在屏幕上打印用户输入的字符,当程序运行十秒之后, 在 屏幕上输出“Timeout”并退出程序。 那么,问题来了:不用多线程,如何实现这个程序?按照直觉,可以这么写: error implementation⟩≡ time_t startTime = time(); char buf[255]; scanf("%s\n", buf); printf("%s\n", buf); sleep(5); Printf("Timeout\n"); return 0;

可是!scanf等扫描用户输入的程序是阻塞的。 也就是说, 在scanf这个地方,只要用户一直没有输入,那么程序就全部阻塞了, 接下sleep(5);在用户完成输入之前是永远不会运行 的。那么, 把sleep(5);放到scanf前面呢?也不行,因为sleep同样也是阻塞的。 也就是说, 如果sleep在前面,那么有整整5秒时间,用户都是无法输入的。

这里我们有两个任务: 

1) 检测用户输入; 

2) 检测时间流逝。 这两个任务是必须并行 的,可是如果直接调用系统的方法,那么我们无法并行, 因为scanf和sleep都是阻塞的,我们 没法控制阻塞的时间和条件。 既然阻塞的方法不行,那么为什么不试试非阻塞的呢? 这就是runloop这种框架的动机。 这里我们假设有一个非阻塞的bool readCh(char* ch)函数。 它的作用是获取用户键入的一 个ascii字符,如果用户没有输入任何东西, 那么它将返回false,否则为true。在true的情况 下, 用户的输入通过ch参数带出。

⟨unblocked implementation⟩≡
time_t startTime = time(NULL);
while (1) {
char ch;
if (true == readCh(&ch)) {
    printf("%c", ch);
}
if (time(NULL) - startTime > 5) {
    printf("Timeout\n");
    return; 
}

二 Runloop 实现:

接下来的章节中我们将实际实现一个基本的runloop, 同样很阳春,具备这么些个功能:

  1. runloop 的启动、退出机制
  2. 任务注册
  3. runloop重入,loop一段指定的时间
  4. autorelease 同时还会实现一个Timer,演示一下runloop下的异步执行和回调机制。

2.1 问题描述

我们要实现的程序还是和第一节里面的需求是一样的, 在一定时间内允许用户输入任意字 符并将用户的输入打印在屏幕上, 5秒后程序打印Timeout并退出。

2.2 Outline

首先我们来看看,有了runloop之后,程序的main函数应该是怎样的:

⟨main function⟩≡
 int main() {
    //register runloop jobs
    runloop_registerJob(&checkAndPrintUserInput);
    timer_setTimer(5, &printTimeoutAndExit);
    //kick up runloop
    runloop_run();
    return 0;
}

瞧,这就是main函数的全部了,分两部分:注册任务和启动runloop。

2.3 Register Jobs in runloop

我们先来看看第一部分:

 runloop_registerJob(&checkAndPrintUserInput);
 timer_setTimer(5, &printTimeoutAndExit);

第一句几乎是自注释的,你应该猜到了,这句的作用是往runloop中注册一个任务, 而任 务的形式是一个函数。所以在这里, checkAndPrintUserInput这个函数的地址被当做参数传入 了。 在具体谈谈注册机制的实现之前,我们先规定一下这里runloop中的“任务”。 从开发的角 度看,任务本质上就是一段代码,而用何种形式组织这段代码, 则是根据应用场景的不同而不 同的,比如这个例子中, 我们规定一个函数就是一个任务,而因为是函数,所以得有一定的调 用约定:

⟨define job function type⟩≡
typedef void (*runloopJob)(void);

而在Apple平台下,一般是用OO的方式——一个对象+它的方法来代表一个任务。 下面就是 在日常的编程中,Apple程序员最经常接触到的注册任务的方式:

⟨most familia way to register a job on runloop⟩≡
[someInstance performSelectorOnMainThread: SEL(someSelector)];

有些惊讶么?别奇怪,NSRunloop和NSObject是紧密结合的。 performSelectorOnMainThread: 这个函数背后干的就是把它的调用者—— self和参数 ——一个selector包装成一个可以在runloop中运行的任务, 并将这个任务注册到runloop里面

好,接下来要实现我们自己的任务注册机制了。 因为比较阳春,我们用一个全局的数组来 做任务队列, runloop在运行时会遍历这个数组,取出其中的函数地址并执行。 这个数组的最 末尾一个元素为NULL,作为数组结束的标志。

⟨define a job queue⟩≡
runloopJob jobs[10] = {NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
                     NULL, NULL, NULL, NULL, NULL};

出于简单起见,jobs数组的长度为10,在这个例子里也够用了。 实际上一般是用动态的数 组来实现的任务队列,在Apple平台上,一般是NSArray。

有了任务队列,注册任务这个函数就很简单了:(将新任务添加到队列末尾)

⟨definition of runloop_registerJob⟩≡
bool runloop_registerJob(runloopJob newJob) {
 runloopJob* jobPos = jobs;
 runloopJob* endPos = jobs + sizeof(jobs) / sizeof(runloopJobs) - 1;
 while (*jobPos && jobPos < endPos) {
        jobPos++;
 }
 if (jobPos < endPos) 
      *jobPos = newJob;
      return true;
 }
 return false;
}

2.4 Define a Timer

接着是第二句话, 也是自注释的, 注册一个Timer, 时间五秒,五秒后调用printTime- outAndExit。 这里实现的Timer很简单,全局只有一个Timer,只能设置一个回调函数。 实现 Timer实际上要实现两部分内容:

1) Timer是如何利用runloop启动、运行和退出的; 

2) Timer 的回调函数是如何注册的。

我们首先来看Timer需要用到的typedef和变量:

⟨definition of Timer⟩≡
typedef void (*timerCallback)(void);
time_t timer_startTime = 0;
time_t timeout_seconds = 0;
timerCallback timer_timerCallback = NULL;
bool timer_is_set = false;

上面这段代码首先是Timer的回调函数的定义, 接着是Timer开始运行的时间、Timer超时的 时间和回调函数。 最后一个变量用于防止重复设置Timer。

因为没有线程,所以我们的Timer必须在runloop中反复运行,以达到检测时间流逝的效果。 所以我们需要定义Timer在runloop中运行的内容:

⟨definition of Timer⟩+≡
void timerJob() {
    if (time(NULL) - timer_startTime > timeout_seconds)  {
        timer_startTime = 0;
        timer_is_set = false;
        timeout_seconds = 0;
        runloop_unregisterJob(&timerJob);
        timer_timerCallback();
        timer_timerCallback = NULL; 
    }
}

上面这段代码很简单,每次运行都检测是否超时,如果超时则重置Timer相关的变量, 并将 timerJob从runloop的任务队列中移除,最后调用回调函数并重置回调函数 。 到这里,我们已经解决了Timer是如何在runloop中运行和退出这两个问题, 最后我们来实现Timer的注册机制:

⟨definition of Timer⟩+≡
bool timer_setTimer(time_t timeout, timerCallback callback) {
    if (timer_is_set) {
        return false;
    }
    timer_startTime = time(NULL);
    timer_timerCallback = callback;
    timeout_seconds = timeout;
    timer_is_set = true;
    runloop_registerJob(timerJob);
    return true;
}

2.5 Run a runloop

OK, 接着我们可以看看,runloop是怎么run的了:

⟨definition of runloop run and quit⟩≡
bool shouldContinue;
void runloop_run() {
      bool shouldContinue = true;
      int jobIndex = 0;
      while(1) {
        if (jobs[0] == NULL) {
                return;
            }
            if (jobs[jobIndex] != NULL) {
                jobs[jobIndex]();
                jobIndex++;
            } else {
                jobIndex = 0;
            }
            if (false == shouldContinue) {
                break; 
            }
        } 
}

不复杂吧?接着就是退出机制了。

⟨definition of runloop run and quit⟩+≡ 
void runloop_stop() {
    shouldContinue = false;
}

这个退出机制一般是在某个runloop中的任务调用的。 别忘了,runlooprun实际上是阻塞式的函数,任何形如 runlooprun(); runloop_stop(); 的代码都是不能终止runloop的。

好了,到这里,一个基本的runloop就完备了,最后我们来实现 checkAndPrintUserInput 和 printTimeoutAndExit两个函数:

⟨definition of checkAndPrintUserInput⟩≡ 
void checkAndPrintUserInput() {
      char ch;
      if (canRead(&ch))  {
        printf("%c", ch);
      }
}

⟨definition of printTimeoutAndExit⟩≡
 void printTimeoutAndExit() {
        printf("Timeout\n");
        exit(0);
}

三 Runloop的一些特点和注意事项

最后,总结一下runloop的一些特点:

  1. 单线程! runloop绝不是一个多线程的玩意, 所以不存在一个变量同时被改写这回事, 所以在NSRunloop中,如果你不希望一个变量被改写, 而使用了一个NSLock来锁住这个变 量, 那么,你要么得到一个死锁(如果你的锁是非递归的情况), 要么你想保护的变量 还是被改写了(因为是单线程的)。
  2. 所有起点是UI的代码, 除非明确指明运行在其他线程上 (通过类似performOnBackground, performSelector:onThread: 等方式),否则都是运行在主线程的runloop上的
  3. 不要在runloop中运行些“大任务”,比如循环个十万二十万次或者其他什么东西, 因为 你实际上是在使用和UI相同的线程。不然,你就会经常见到风火轮了。
  4. 异步! runloop的确是一个异步模型, 只不过这个异步模型是通过对任务的调度来实现 的。比如你向runloop中注册任务时, 不是添加到任务的队尾 ,而是插队,那么实际上 执行顺序就被打乱了。 插队这种现象其实很常见,每次当你在一个函数里面调用 - [NSRunloop runMode:beforeDate:] 这个方法时, 实质上就是在打断当前的runloop任 务的执行,转而执行runloop中的其他任务。 记住,这是以单线程的方式打乱了任务的时 序,所以NSLock是不起作用的。
  5. 一个runloop,一个线程。 当启动一个新的线程的时候, 这个线程并不会自动拥有一个 runloop,你必须自己完成创建等工作。
  6. 没有runloop,没有autorelease。 runloop的每次loop开始时,会建立一个autorelease pool, 于是这次loop中执行的所有任务里,任意某个对象调用了autorelease, 它都 会被注册到这个autorelease pool中。 然后在本次loop结束时,autorelease pool会被 drain。 所以,当没有runloop的时候,也就没有相关联的autorelease pool, 这个时候 调用autorelease是没有意义的

四 iOS中的Runloop

RunLoop 实际上就是一个对象,这个对象管理了其需要处理的事件和消息,并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后,就会一直处于这个函数内部 “接受消息->等待->处理” 的循环中,直到这个循环结束(比如传入 quit 的消息),函数返回。

OSX/iOS 系统中,提供了两个这样的对象:NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。 CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架内的,它提供了纯 C 函数的 API,所有这些 API 都是线程安全的。 NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封装,提供了面向对象的 API,但是这些 API 不是线程安全的。

RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

其中 CFRunLoopModeRef 类并没有对外暴露,只是通过 CFRunLoopRef 的接口进行了封装。他们的关系如下: 

一个 RunLoop 包含若干个 Mode,每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。每次调用 RunLoop 的主函数时,只能指定其中一个 Mode,这个Mode被称作 CurrentMode。如果需要切换 Mode,只能退出 Loop,再重新指定一个 Mode 进入。这样做主要是为了分隔开不同组的 Source/Timer/Observer,让其互不影响。

CFRunLoopSourceRef 是事件产生的地方。Source有两个版本:Source0 和 Source1。

  • Source0 只包含了一个回调(函数指针),它并不能主动触发事件。使用时,你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source),将这个 Source 标记为待处理,然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop,让其处理这个事件。
  • Source1 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。这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程,其原理在下面会讲到。

CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器,它和 NSTimer 是toll-free bridged 的,可以混用。其包含一个时间长度和一个回调(函数指针)。当其加入到 RunLoop 时,RunLoop会注册对应的时间点,当时间点到时,RunLoop会被唤醒以执行那个回调。

CFRunLoopObserverRef 是观察者,每个 Observer 都包含了一个回调(函数指针),当 RunLoop 的状态发生变化时,观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个:

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即将进入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即将处理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop
};

上面的 Source/Timer/Observer 被统称为 mode item,一个 item 可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有,则 RunLoop 会直接退出,不进入循环。

RunLoop 的Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的结构大致如下:

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 ... };

这里有个概念叫 “CommonModes”: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。

应用场景举例:主线程的 RunLoop 里有两个预置的 Mode:kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。这两个 Mode 都已经被标记为”Common”属性。DefaultMode 是 App 平时所处的状态,TrackingRunLoopMode 是追踪 ScrollView 滑动时的状态。当你创建一个 Timer 并加到 DefaultMode 时,Timer 会得到重复回调,但此时滑动一个TableView时,RunLoop 会将 mode 切换为 TrackingRunLoopMode,这时 Timer 就不会被回调,并且也不会影响到滑动操作。

有时你需要一个 Timer,在两个 Mode 中都能得到回调,一种办法就是将这个 Timer 分别加入这两个 Mode。还有一种方式,就是将 Timer 加入到顶层的 RunLoop 的 “commonModeItems” 中。”commonModeItems” 被 RunLoop 自动更新到所有具有”Common”属性的 Mode 里去。

[[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:self.completionDelayTimer forMode:NSRunLoopCommonModes];

RunLoop 的内部逻辑

根据苹果在文档里的说明,RunLoop 内部的逻辑大致如下: 

内部代码整理如下:

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}

/// 用指定的Mode启动,允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}

/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {

    /// 首先根据modeName找到对应mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;

    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);

    /// 内部函数,进入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {

        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {

            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 执行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态,直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }

            /// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }

            /// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            /// • 一个基于 port 的Source 的事件。
            /// • 一个 Timer 到时间了
            /// • RunLoop 自身的超时时间到了
            /// • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }

            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);

            /// 收到消息,处理消息。
            handle_msg:

            /// 9.1 如果一个 Timer 到时间了,触发这个Timer的回调。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 

            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block,执行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 

            /// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了,处理这个事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }

            /// 执行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);


            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }

            /// 如果没超时,mode里没空,loop也没被停止,那继续loop。
        } while (retVal == 0);
    }

    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到,实际上 RunLoop 就是这样一个函数,其内部是一个 do-while 循环。当你调用 CFRunLoopRun() 时,线程就会一直停留在这个循环里;直到超时或被手动停止,该函数才会返回。

RunLoop 的底层实现

从上面代码可以看到,RunLoop 的核心是基于 mach port 的,其进入休眠时调用的函数是 mach_msg()。为了解释这个逻辑,下面稍微介绍一下 OSX/iOS 的系统架构。

Darwin 即操作系统的核心,包括系统内核、驱动、Shell 等内容。

我们在深入看一下 Darwin 这个核心的架构:

其中,在硬件层上面的三个组成部分:Mach、BSD、IOKit (还包括一些上面没标注的内容),共同组成了 XNU 内核。 XNU 内核的内环被称作 Mach,其作为一个微内核,仅提供了诸如处理器调度、IPC (进程间通信)等非常少量的基础服务。 BSD 层可以看作围绕 Mach 层的一个外环,其提供了诸如进程管理、文件系统和网络等功能。 IOKit 层是为设备驱动提供了一个面向对象(C++)的一个框架。

Mach 本身提供的 API 非常有限,而且苹果也不鼓励使用 Mach 的 API,但是这些API非常基础,如果没有这些API的话,其他任何工作都无法实施。在 Mach 中,所有的东西都是通过自己的对象实现的,进程、线程和虚拟内存都被称为”对象”。和其他架构不同, Mach 的对象间不能直接调用,只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。”消息”是 Mach 中最基础的概念,消息在两个端口 (port) 之间传递,这就是 Mach 的 IPC (进程间通信) 的核心。

Mach 的消息定义是在 头文件的,很简单:

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;

一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB),其头部定义了当前端口 localport 和目标端口 remoteport,一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB),其头部定义了当前端口 localport 和目标端口 remoteport,

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);

为了实现消息的发送和接收,machmsg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap),即函数machmsgtrap(),陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 machmsgtrap() 时会触发陷阱机制,切换到内核态;内核态中内核实现的 machmsg() 函数会完成实际的工作,如下图: 

RunLoop 的核心就是一个 machmsg() (见上面代码的第7步),RunLoop 调用这个函数去接收消息,如果没有别人发送 port 消息过来,内核会将线程置于等待状态。例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App,然后在 App 静止时点击暂停,你会看到主线程调用栈是停留在 machmsg_trap() 这个地方。

五 苹果用 RunLoop 实现的功能

首先我们可以看一下 App 启动后 RunLoop 的状态:

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,系统默认注册了5个Mode:

  1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默认 Mode,通常主线程是在这个 Mode 下运行的。
  2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟踪 Mode,用于 ScrollView 追踪触摸滑动,保证界面滑动时不受其他 Mode 影响。
  3. UIInitializationRunLoopMode: 在刚启动 App 时第进入的第一个 Mode,启动完成后就不再使用。
  4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode,通常用不到。
  5. kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位的 Mode,没有实际作用。

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 objcautoreleasePoolPush() 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objcautoreleasePoolPop() 和 objcautoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池;Exit(即将退出Loop) 时调用 objcautoreleasePoolPop() 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。

注意:事件响应请关注后续的响应链分享!

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。

question:为什么要在Loop即将进入休眠的时候执行GestureRecognizer的回调

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:ZN2CA11Transaction17observercallbackEP19__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];

Tip:当想强制刷新的时候,可以将UIView的setNeedsLayout置为YES,然后布局【view layoutIfNeeded】; 注意:界面更新请关注后续的UI渲染分享

定时器

NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef,他们之间是 toll-free bridged 的。一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后,RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 这几个时间点。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。

如果某个时间点被错过了,例如执行了一个很长的任务,则那个时间点的回调也会跳过去,不会延后执行。就比如等公交,如果 10:10 时我忙着玩手机错过了那个点的公交,那我只能等 10:20 这一趟了。

CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器(但实际实现原理更复杂,和 NSTimer 并不一样,其内部实际是操作了一个 Source)。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务,那其中就会有一帧被跳过去(和 NSTimer 相似),造成界面卡顿的感觉。在快速滑动TableView时,即使一帧的卡顿也会让用户有所察觉。Facebook 开源的 AsyncDisplayLink 就是为了解决界面卡顿的问题,其内部也用到了 RunLoop。

注意两点:

  • UIScrollView上的NSTimer
  • 子线程使用NSTimer要加入到RunLoop中

思考:如何写一个相对准确的定时器

PerformSelecter

当调用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 后,实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop,则这个方法会失效。

当调用 performSelector:onThread: 时,实际上其会创建一个 Timer 加到对应的线程去,同样的,如果对应线程没有 RunLoop 该方法也会失效。

demo出现问题 TODO-WT

关于GCD

实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西。但同时 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop, 例如 dispatch_async()。

当调用 dispatchasync(dispatchgetmainqueue(), block) 时,libDispatch 会向主线程的 RunLoop 发送消息,RunLoop会被唤醒,并从消息中取得这个 block,并在回调 CFRUNLOOPISSERVICINGTHEMAINDISPATCHQUEUE() 里执行这个 block。但这个逻辑仅限于 dispatch 到主线程,dispatch 到其他线程仍然是由 libDispatch 处理的。

请看《RunLoop 的内部逻辑》的内部代码整理

关于网络请求

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。

下面主要介绍下 NSURLConnection 的工作过程。

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。

六 本次分享要解决的问题,使用RunLoop实现常驻线程

举个例子: AFURLConnectionOperation 这个类是基于 NSURLConnection 构建的,其希望能在后台线程接收 Delegate 回调。为此 AFNetworking 单独创建了一个线程,并在这个线程中启动了一个 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 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Observer/Source,所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。通常情况下,调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内;但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出,并没有用于实际的发送消息。

- (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];
}

当需要这个后台线程执行任务时,AFNetworking 通过调用 [NSObject performSelector:onThread:..] 将这个任务扔到了后台线程的 RunLoop 中。

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