探究RunLoop

探究RunLoop

前言

今天我们就思考下，一个程序从启动运行到最终退出的整个过程中，到底发生了什么事。这其实是事件循环RunLoop保证了程序可以一直运行下去。本文会从RunLoop的概念、数据结构、事件循环机制、NSRunLoop与NSTimer、NSRunLoop与多线程关系这几方面来总结下。

概念

  • 什么是RunLoop？
    • 是通过内部维护的事件循环来对事件/消息进行管理的一个对象
  • 事件循环概念： (维护的事件循环可以用来不断处理消息或者事件，然后对它们进行管理; 绝对不止是死循环这么简单，实质上就是runloop内部状态的转换)
    • 没有消息处理时，休眠以避免资源占用
      • 状态的切换：从用户态到内核态；
    • 有消息需要处理时，立刻被唤醒
      • 状态的切换：从内核态到用户态；
    • 用户态：应用程序一般都是运行在用户态上，平时开发用到的api等都是用户态的操作
    • 内核态：系统调用，牵涉到操作系统资源调度，底层内核的相关指令

Q：为什么我们的main函数能保持一直运行状态而不退出呢？

  • 在main函数中，会调用UIApplicationMain函数，在这个函数内部会启动主线程的RunLoop。而RunLoop会对事件循环进行维护，可以做到有事情的时候做事，没事情的时候休眠，中间其实是状态的切换。

  • 等待：其实就是用户态-内核态的转换。注意–事件循环不是while死循环，而是状态转换。

数据结构

  • 在OC中，NSRunLoop是CFRunLoop的封装，提供了面向对象的API。
  • RunLoop相关的数据结构，主要有3个：
    • CFRunLoop
    • CFRunLoopMode
    • Source/Timer/Observer

CFRunLoop(开源的: opensource)

  • pthread：C语言里的线程对象，代表runloop和线程的关系是一一对应的
  • currentMode：代表runloop当前所处的模式，其实是CFRunLoopMode这样的数据结构
  • modes：多个mode的集合，其实就是CFRunLoopMode的集合
  • commonModes：里面是NSString的集合，与modes是不一样的
  • commonModeItems：其实是一个集合，里面包含了多个Source/Timer/Observer
CFRunLoopMode

  • name：模式名称，如NSDefaultRunLoopModel；别名定义，可通过字符串名称去找到对应的mode
  • source0、source1：都是集合类型的
  • observers、timers：都是数组类型的

Source的数据结构

  • 在CF框架中，全名是CFRunLoopSource
    • source0：需要手动唤醒线程；用于用户主动触发的事件，常见的source事件：比如用户点击按钮，拖拽，手势等事件。
    • source1：具备唤醒线程能力；通过内核和其它线程相互发送消息

Timer的数据结构

  • 在CF框架中，全名是CFRunLoopTimer
    • 基于事件的定时器
    • 和NSTimer是toll-free bridged的：免费桥转换的
观测时间点：我们可以注册一些observer，来对RunLoop的相关时间点进行观察
  • 有哪些时间点呢：
    • kCFRunLoopEntry：RunLoop的入口时机，当RunLoop准备启动的时候，系统会给我们一个回调通知
    • kCFRunLoopBeforeTimers：通知观察者，RunLoop要对Timers相关事件进行处理了
    • kCFRunLoopBeforeSources：通知观察者，要处理Sources相关事件了
    • kCFRunLoopBeforeWaiting：通知对应观察者，RunLoop即将要进入休眠状态
    • kCFRunLoopAfterWaiting：通知对应观察者，刚从休眠中唤醒
    • kCFRunLoopExit：代表RunLoop退出的通知
    • kCFRunloopAllActivities：观察所有状态改变

各个数据结构之间的关系

  • 一个runloop对应了多种mode ，每个mode下又有多种source/timer/Observer

RunLoop的Mode

  • 每次RunLoop启动时，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

  • Q：为什么需要这么多的Mode
    • 当我们的RunLoop运行在某个mode上的时候，只能接收当前mode下的事件，而其他mode上的observer、timer的事件的回调是无法接收到的；所以有多个Mode实际上就是起到屏蔽的作用。

CommonMode的特殊性

  • NSRunLoopCommonModes是怎样理解的？(是同步Source/Timer/Observer到多个Mode的一种技术方案)
    • CommonModes不是实际存在的一种Mode
    • 是同步Source/Timer/Observer到多个Mode的一种技术方案

事件循环的实现机制

  • 在我们实际开发过程所调用的NSRunLoopRun和CFRunLoopRun方法最终都会调用到void CFRunLoopRun()方法
  • 过程：

  • Q：当处于休眠的RunLoop，我们能通过哪些方式来唤醒？(3种)
    • Source1
    • Timer事件
    • 外部手动唤醒
  • Q：当我们点击App的图标，从程序启动运行到最终退出，在这个过程中，系统都发生了什么？
    • 调用main函数，mian函数会调用UIApplicationMain函数，UIApplicationMain函数中会启动主线程的runloop；
    • 在处理完事件后，会调用 mach_msg() 函数，经过系统调用，系统就会进入内核态；
    • 当有外部事件唤醒线程时，会触发mach_msg()回调到用户态去处理事件。

RunLoop与NSTimer

  • 场景：滑动TableView的时候我们的定时器还会生效么？
    • 答案：不生效
    • 原因：一般我们线程的runloop运行在kCFRunLoopDefaultModel上，当滑动TableView时，会发生Mode切换，会切换到UITrackingRunLoopMode上。之前说过，RunLoop只能接收当前mode下的事件，而其他mode上的事件回调是无法接收到的。
    • 解决方案：通过CommonMode 这个技术方案
      • 调用CFRunLoopAddTimer或者NSRunLoop的addTimer:forMode的方法
      • 最终会把timer添加到多个打了CommonMode标记的Mode中，UITrackingRunLoopMode也是被打了CommonMode标记的

补充点：GCD的定时器是不受Runloop的mode影响的

  • 举例：
		__block NSInteger timeOut = 60; // 倒计时时间
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    dispatch_source_t _timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0,queue);
    dispatch_source_set_timer(_timer, dispatch_walltime(NULL, 0), 1.0 * NSEC_PER_SEC, 0); // 每秒执行
    dispatch_source_set_event_handler(_timer, ^{
        if (timeOut <= 0) { // 倒计时结束，关闭
            dispatch_source_cancel(_timer);
        } else {
            timeOut--;
        }
    });
    dispatch_resume(_timer);

RunLoop与多线程

  • 线程和RunLoop的关系：线程是和RunLoop一一对应的。(数据结构)

  • 自己创建的线程默认是没有RunLoop的。需手动添加

  • 场景：怎样实现一个常驻线程
  • 可以从以下几点来回答：
    • 为当前线程开启一个RunLoop
    • 向该RunLoop中添加一个Port/Source等维持RunLoop的事件循环
      • (RunLoop如果没有资源或者事件源需要处理的话，默认是不能维持自己事件循环的，就会直接退出)
    • 启动该RunLoop

实现一个常驻线程：

static BOOL runAlways = YES; // 是否继续维持事件循环
static NSThread *_thread = nil;

+ (NSThread *)oneThread
{
    if (!_thread) {
        @synchronized (self) {
            if (!_thread) {
                // 线程创建
                _thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(runThread) object:nil];
                [_thread setName:@"threadName"];
                // 启动
                [_thread start];
            }
        }
    }
    return _thread;
}

// 创建一个Source
+ (void)runThread
{
    // 创建一个Source
    CFRunLoopSourceContext context = {0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL};
    CFRunLoopSourceRef source = CFRunLoopSourceCreate(kCFAllocatorDefault, 0, &context);
    // 创建RunLoop，同时向Runloop的DefaultMode下添加Source
    CFRunLoopAddSource(CFRunLoopGetCurrent(), source, kCFRunLoopDefaultMode);
    // 外部控制条件
    while (runAlways) {
        @autoreleasepool {
            // 当前的RunLoop开始运行，在DefaultMode下运行
            CFRunLoopRunInMode(kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, true); // 会状态切换，不会死循环
        }
    }
    
    // 某一时机 静态变量runAlways=NO，可以保证跳出RunLoop，线程退出
    CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopGetCurrent(), source, kCFRunLoopDefaultMode);
    CFRelease(source);
}

RunLoop的总结

  • 什么是 RunLoop，它是怎样做到有事做事，没事休息的？(含义+状态切换)

  • RunLoop与线程是怎样的关系？(2点)

  • 如何实现一个常驻线程？(3步骤)

  • 怎样保证子线程数据回来更新UI的时候不打断用户的滑动操作？

    • (因为滑动，RunLoop会运行在UITrackingRunLoopMode下；我们可以将UI更新的逻辑封装成Block，提交到DefaultMode下；当滑动停止后，切换到DefaultMode下，就会执行刚刚的Block了)

参考文章

最后

如果对大家有帮助，请github上follow和star，本文发布在戴超的技术博客，转载请注明出处

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