【iOS】OC底层系列十二 - RunLoop

RunLoop保证了程序不会在最后一行代码执行结束后立即退出程序，它保证了程序的持续运行，因为只有程序在运行阶段才可以接收和处理各种事件。

一、什么是RunLoop？

RunLoop，顾名思义，运行循环的意思，在程序运行过程中循环做一些事情。

应用范畴：

• 定时器（Timer）、PerformSelector
• GCD Async Main Queue
• 事件响应、手势识别、界面刷新
• 网络请求
• AutoreleasePool

如果没有RunLoop，执行完NSLog代码后，会即将退出程序。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

如果有了RunLoop，程序并不会马上退出，而是保持运行状态。

// 正常iOS程序的入口
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

// 上面代码的伪代码实现（RunLoop）
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int retVal 0;
        do {
            // 睡眠中等待消息
            int message = sleep_and_wait();
            // 处理消息
            retVal = process_message(message);
        } while (0 == retVal);
    }
    return 0;
}

UIApplicationMain()函数内部创建了RunLoop对象，保证了程序的持续运行。

RunLoop的基本作用：

• 保持程序的持续运行
• 处理App中的各种事件（比如触摸事件、定时器事件等）
• 节省CPU资源，提高程序性能：该做事时做事，该休息时休息
• ……

二、RunLoop对象

iOS中有2套API来访问和使用RunLoop：

• Foundation框架：NSRunLoop（OC）

// 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop currentRunLoop]; 

// 获得主线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop]; 

• Core Foundation框架：CFRunLoopRef（C）

// 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetCurrent(); 

// 获得主线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain(); 

NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象。NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装（两个框架打印RunLoop对象的地址是不一样的），CFRunLoopRef是开源的（https://opensource.apple.com/tarballs/CF/）。

RunLoop与线程的关系：

1. 每条线程都有唯一的一个与之对应的RunLoop对象。

2. RunLoop保存在一个全局的Dictionary里，线程作为key，RunLoop作为value。

3. 线程刚创建时并没有RunLoop对象，RunLoop会在第一次获取它时创建，RunLoop会在线程结束时销毁。

4. 主线程的RunLoop已经自动获取（创建），子线程默认没有开启RunLoop。

三、RunLoop相关的类

Core Foundation中关于RunLoop的5个类：

• CFRunLoopRef
• CFRunLoopModeRef
• CFRunLoopSourceRef
• CFRunLoopTimerRef
• CFRunLoopObserverRef

以下是CFRunLoop的源码（实际内容有很多，仅摘取了有用部分）：

typedef struct __CFRunLoop * CFRunLoopRef;
struct __CFRunLoop {
    pthread_t _pthread; // 当前RunLoop对应的线程
    CFMutableSetRef _commonModes; // 通用模式数组（包含了默认和滑动模式），被标记通用模式后会同时支持两种模式
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // 被标记为通用模式的监听器、定时器、sources0、sources1会放到这里面（否则会放到_modes中）
    CFRunLoopModeRef _currentMode; // 当前RunLoop模式（_modes中的一个）
    CFMutableSetRef _modes; // 模式集合（存储着CFRunLoopModeRef类型），一个RunLoop对象可能会有多种模式
};

typedef struct __CFRunLoopMode * CFRunLoopModeRef;
struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name; // Mode名称
    CFMutableSetRef _sources0; // 集合（存储CFRunLoopSourceRef类型）
    CFMutableSetRef _sources1; // 集合（存储CFRunLoopSourceRef类型）
    CFMutableArrayRef _observers; // 监听器集合（存储CFRunLoopObserverRef类型）
    CFMutableArrayRef _timers; // 定时器集合（存储CFRunLoopTimerRef类型）
};

3.1. CFRunLoopModeRef

CFRunLoopModeRef代表RunLoop的运行模式。一个RunLoop包含若干个Mode，每个Mode又包含若干个Source0/Source1/Timer/Observer。

RunLoop启动时只能选择其中一个Mode，作为currentMode。如果需要切换Mode，只能退出当前Loop，再重新选择一个Mode进入。

不同组的Source0/Source1/Timer/Observer能分隔开来，互不影响。如果Mode里没有任何Source0/Source1/Timer/Observer，RunLoop会立马退出。

常见的2种Mode：

• kCFRunLoopDefaultMode（对应OC的NSDefaultRunLoopMode）：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行。
• 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（界面滑动时自动切换到该Mode，滑动结束后会退出该Mode到默认的Mode）。

注意：NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode才是真正存在的模式。NSRunLoopCommonModes并不是一个真的模式，它只是一个标记。被标记为通用模式的RunLoop，默认和滑动两种模式都支持。

3.2. CFRunLoopObserverRef

RunLoop的状态：

/* Run Loop Observer Activities */
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
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

添加Observer监听RunLoop的所有状态（添加RunLoop的Observer只有C语言实现，没有OC版本）：

// 创建Observer
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
    switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
            NSLog(@"kCFRunLoopEntry");
            break;

        case kCFRunLoopBeforeTimers:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeTimers");
            break;

        case kCFRunLoopBeforeSources:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeSources");
            break;

        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopBeforeWaiting");
            break;

        case kCFRunLoopAfterWaiting:
            NSLog(@"kCFRunLoopAfterWaiting");
            break;

        case kCFRunLoopExit:
            NSLog(@"kCFRunLoopExit");
            break;

        default:
            break;
    }
});
// 添加Observer到当前RunLoop中
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopCommonModes);
// 释放Observer
CFRelease(observer);

添加Observer时传入的Mode如果是kCFRunLoopCommonModes，会同时监听普通模式和滚动模式。

四、RunLoop的运行逻辑

• Source0：

  • 触摸事件处理
  • performSelector:onThread:

• Source1

  • 基于Port的线程间通信
  • 系统事件捕捉（注意：触摸事件的捕捉是在Source1，处理是在Source0）

• Timers

  • NSTimer
  • performSelector:withObject:afterDelay:（底层实现就是一个定时器）

• Observers

  • 用于监听RunLoop的状态
  • UI刷新（BeforeWaiting，RunLoop进入休眠前执行UI刷新操作）
  • Autorelease pool（BeforeWaiting）

RunLoop休眠的实现原理：

用户态如果需要休眠，会进入到内核态的mach_msg()函数，在这个函数内部会自动让内核进入休眠状态（等待消息：没有消息就让线程休眠，有消息就唤醒线程）。当有消息唤醒线程时，会自动切换到用户态，让RunLoop继续处理消息。

五、RunLoop在实际开中的应用

5.1. 控制线程生命周期（线程保活）

@implementation DBThread

- (void)dealloc {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    DBThread *thread = [[DBThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
    [thread start];
}

- (void)run {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

@end

打印结果：

-[ViewController run]
-[DBThread dealloc]

线程启动后，run方法执行完线程就结束了。有什么办法能够让run方法执行完线程不死呢？可以使用RunLoop。

往RunLoop里面添加Source/Timer/Observer可以让线程方法不死。

- (void)run {
    NSLog(@"%s", __func__);
    // sources1用于线程间通信，port就是添加到sources1中
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[[NSPort alloc] init] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    NSLog(@"end");
}

线程执行后的输出结果：-[ViewController run]。线程没有死掉，end也没有输出，程序会一直卡在[[NSRunLoop currentRunLoop] run];，在这里RunLoop是等待唤醒的状态。[[NSRunLoop currentRunLoop] run]的API解释说开启run方法后RunLoop是无法停止的，它专门用于开启一个永不销毁的线程，run方法底层就是在不断地调用runMode:beforeDate:方法（开启一个while循环，不断地调用，相当于开启了很多个runMode:beforeDate:方法）。CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent());仅仅是停止一个runMode:beforeDate:，所以线程不会死掉，也不会执行run方法后面的代码。

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) DBThread *thread;
@property (nonatomic, assign) BOOL isStoped;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 如果使用initWithTarget:selector:object:方法会发生强引用，导致控制器不会执行dealloc
    NSLog(@"进入控制器");
    self.isStoped = NO;
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    self.thread = [[DBThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"begin:%@", [NSThread currentThread]);
        // 往RunLoop里面添加Source/Timer/Observer
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[[NSPort alloc] init] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        
        // CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent());执行后会再次进入while，因为相当于把上次的runMode:beforeDate:停掉
        // 如果在dealloc中执行stop，weakSelf会是nil的，因为控制器会被释放
        while (weakSelf && !weakSelf.isStoped) {
            NSLog(@"开启RunLoop");
            [[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];
            NSLog(@"关闭RunLoop");
        }
        NSLog(@"end:%@", [NSThread currentThread]);
    }];
    [self.thread start];
}

// 停止子线程的RunLoop
- (void)stopThread {
    // 停止标记
    self.isStoped = YES;
    // 停掉RunLoop
    CFRunLoopStop(CFRunLoopGetCurrent());
    NSLog(@"%s %@", __func__, [NSThread currentThread]);
}

- (void)dealloc {
    NSLog(@"退出控制器");
    NSLog(@"%s", __func__);
    // 在子线程调用stop（不能在主线程调用）
    [self performSelector:@selector(stopThread) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:YES];
    NSLog(@"ViewController End");
}

@end

执行结果：

进入控制器
begin:<DBThread: 0x60000033a000>{number = 8, name = (null)}
开启RunLoop
退出控制器
-[ViewController dealloc]
-[ViewController stopThread] <DBThread: 0x60000033a000>{number = 8, name = (null)}
ViewController End
关闭RunLoop
end:<DBThread: 0x60000033a000>{number = 8, name = (null)}
-[DBThread dealloc]

注意：如果使用C语言RunLoop的API把线程添加到RunLoop中，是不需要做while循环的。CFRunLoopRunInMode(kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);最后一个参数代表执行完source后是否退出当前loop，传false就不需要stoped标记和while循环。

5.2. 解决NSTimer在滑动时停止工作的问题

RunLoop只能在一种模式下工作，滑动时是在TrackingMode模式下工作，滑动结束后会自动切换到默认模式，所以会发生滑动时定时器停止工作的问题。

要想解决这个问题，可以把Timer放在RunLoop的通用模式下执行，因为通用模式是可以在默认模式和滑动模式下都工作的。

static int count = 0;
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
    NSLog(@"%d", count++);
}];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

注意：定时器要使用timerWithTimeInterval:方法获取Timer对象，然后把Timer放到指定模式的RunLoop中。scheduledTimerWithTimeInterval:是定制方法，会自动把Timer添加到默认模式中。

5.3. 监控应用卡顿

5.4. 性能优化

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面试题1：讲讲 RunLoop，项目中有用到吗？

解答：参考章节一。

面试题2：runloop内部实现逻辑？

解答：参考章节四。

面试题3：runloop和线程的关系？

解答：参考章节二。

面试题4：timer与runloop 的关系？

解答：参考章节三中的结构图。

面试题5：程序中添加每3秒响应一次的NSTimer，当拖动tableview时timer可能无法响应要怎么解决？

解答：把timer添加到RunLoop中，并指定模式为通用模式（包含了默认和滑动两种情况）。

面试题6：runloop 是怎么响应用户操作的， 具体流程是什么样的？

解答：在Source1里面捕捉系统消息后，把消息事件封装成EventQueue，最后放到Source0中进行处理。

面试题7：说说runLoop的几种状态

解答：参考章节3.2。

面试题8：runloop的mode作用是什么？

解答：参考章节3.1。