iOS底层学习——RunLoop实现原理

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2024年06月07日 15:23 · 阅读数 24

1.什么是RunLoop

RunLoop是一个运行循环，也是一个对象，并且提供了入口函数，进行do while循环，保证运行程序不退出。

我们知道一个程序运行结束的标志性语句是return，在iOS应用的入口main函数中，return并执行了一个UIApplicationMain函数，见下图：

iOS底层学习——RunLoop实现原理

既然已经return了，为什么应用依然可以接收消息，处理消息呢？程序不应该到此结束吗？我们在代理AppDelegate的application:didFinishLaunchingWithOptions:方法中添加断点，并bt打印堆栈信息，探索到以下内容：

iOS底层学习——RunLoop实现原理

程序的执行流程，首先dyld进行应用程序加载，执行main函数，启动RunLoop，加载GCD………由此可见应用程序在启动过程中进行了一系列的初始化工作。同时可以确定，RunLoop来自CoreFoundation框架，CoreFoundation的部分源码是开源的，其中包括RunLoop。在其源码中，RunLoop Run的实现也确实是一个do while循环。见下图：

iOS底层学习——RunLoop实现原理

我们知道RunLoop和线程有关系，并且提供了一套消息处理机制。在苹果官方的开发者文档Documentation Archive中搜索Thread内容，其中就包含了RunLoop的相关说明：

iOS底层学习——RunLoop实现原理

这也说明了RunLoop和线程是息息相关的。

2.RunLoop的作用

总结一下RunLoop的作用：

保持程序的持续运行
处理APP中的各种事件（触摸、定时器、performSelector）
节省cpu资源、提高程序的性能：该做事就做事，该休息就休息

保持程序的持续运行

这一点很好理解，在main函数创建UIApplicationMain时启动了RunLoop，如果没有启动RunLoop，程序就会直接退出。
处理APP中的各种事件

在苹果的官方文档中，有这样一张图：

再结合官方的说明，我们可以知道，RunLoop是线程用于处理运行事件、处理响应事件的循环。这些事件包括port事件源、屏幕触摸事件、performSelector、timer等。

我们在上层APP开发时貌似很少接触到RunLoop，个人觉得RunLoop的封装达到了极致。一些事件处理都运用到了RunLoop，下面通过案例来分析：
- Timer
  
  处理Timer事件，对应__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__，见下图：
- performSelector
  
  处理performSelector事件，也对应的__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__，见下图：
- GCD
  
  队列中处理事件，对应__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__，见下图：
通过上面的探索，我们可以发现这些事件的处理方法均以__CFRUNLOOP_IS_为开头的方式命名，查看源码，其会根据不同的事件，提供不同的响应方法，见下图：

事件处理回调方法总结：
- block应用：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__
- 调用timer：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__
- 响应source0：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__
- 响应source1： __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__
- GCD主队列：__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__
- observer源：__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__
节省cpu资源、提高程序的性能

RunLoop能节省cpu资源，提高程序的性能，这点体现在哪呢？见下图：

在上图中可以发现，应用程序启动后，保持运行状态，但是此时的cpu占用率一直是0%。我们知道，RunLoop实际上就是一个do while循环，我们如果开启一个循环会怎样呢？对比一下！

通过上图可以发现，cpu占用一直很高，所以可以得出结论，RunLoop所提供的循环是和普通的循环是有区别的，有事需要处理才会运行，没有事则会休息！从而达到了节省cpu资源，提高程序性能的作用。那么这种功能是如何实现的，下面会分析。

3.RunLoop与线程的关系

上面我们已经提到，RunLoop和线程是息息相关的，并且是一一对应的关系。那么他们的关系是如何建立的呢？

    // 获取main RunLoop
    NSLog(@"%@", CFRunLoopGetMain());
    // 获取当前 RunLoop
    NSLog(@"%@", CFRunLoopGetCurrent());

我们通常会通过上面的两种方式打印输出main RunLoop以及当前RunLoop。在CFRunLoop源码中查看其实现：

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解读上面的源码不难发现，获取RunLoop均是通过线程进行获取。那么线程和RunLoop的关系是如何建立的呢？这就需要解读_CFRunLoopGet0函数的实现源码：

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解读_CFRunLoopGet0源码:

维护了一个CFMutableDistionaryRef字典__CFRunLoops，字典默认为NULL；
如果CFRunLoops是空，则创建一个CFMutableDistionaryRef字典，并默认初始化主线程的RunLoop；
将创建的RunLoop放入到CFMutableDistionaryRef字典中，也就是放入__CFRunLoops中，以线程为key，RunLoop为value；
在通过线程获取RunLoop时，以key-value方式从字典中获取对应的RunLoop；
如果RunLoop为空，则创建一个newLoop，以线程为key，RunLoop为value，存储到__CFRunLoops中；
返回线程对应的RunLoop。

上面的源码我们可以得出一个结论：主线程的RunLoop会默认被创建，而子线程的RunLoop是懒加载的，需要时才会创建，RunLoop和线程是一对一的关系，存储在一个字典中。

子线程RunLoop案例分析
```
    GFThread * gfThread = [[GFThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"running....");

        [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
            NSLog(@"helloc timer...%@", [NSThread currentThread]);
        }];
    }];

    gfThread.name = @"Hello.thread";
    [gfThread start];
```
GFThread是一个继承自NSThread的自定义线程，并重写了dealloc方法。案例中，在子线程中使用了一个NSTimer，运行这段代码会是什么结果呢？

线程生命周期结束，但是NSTimer的任务并没有执行。这是因为NSTimer需要依赖于RunLoop，主线程的RunLoop默认开启，而子线程的RunLoop是懒加载，需要手动开启。

对上面的案例进行修改，启动子线程的RunLoop。见下图:

那么如何结束NSTimer呢？首先我们需要理理清楚一个关系：线程和RunLoop一一对应，而NSTimer又依赖于RunLoop。根据这个思路可以做如下修改：

通过外部变量可以控制线程，如果线程退出，对应的RunLoop也会停止运行，NSTimer又依赖于RunLoop，也自然不能运行。

4.RunLoop数据结构

RunLoop中涉及到5个重要的类：

CFRunLoop - RunLoop对象
CFRunLoopMode - 五种运行模式
CFRunLoopSource - 输入源/事件源，包括Source0和Source1
CFRunLoopTimer - 定时源，也就是NSTimer
CFRunLoopObserver - 观察者，用来监听RunLoop

CFRunLoop

在底层RunLoop对象为CFRunLoop，NSRunLoop是OC层的封装。我们可以通过以下两种方式获取当前线程的RunLoop:

    // c/c++
    CFRunLoopRef lp     = CFRunLoopGetCurrent();
    // OC
    NSRunLoop *currentRunLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

那么CFRunLoop在底层是如何定义的呢？

    struct __CFRunLoop {
        CFRuntimeBase _base;
        pthread_mutex_t _lock;            /* locked for accessing mode list */
        __CFPort _wakeUpPort;            // used for CFRunLoopWakeUp
        Boolean _unused;
        volatile _per_run_data *_perRunData;              // reset for runs of the run loop
        pthread_t _pthread;
        uint32_t _winthread;
        CFMutableSetRef _commonModes;
        CFMutableSetRef _commonModeItems;
        CFRunLoopModeRef _currentMode;
        CFMutableSetRef _modes;
        struct _block_item *_blocks_head;
        struct _block_item *_blocks_tail;
        CFAbsoluteTime _runTime;
        CFAbsoluteTime _sleepTime;
        CFTypeRef _counterpart;
    };

CRRunLoop中包括锁_lock、用于处理source1的唤醒端口_wakeUpport、关联的线程_pthread、当前模式_currentMode等。同时维护了一个set集合_modes，所以通过数据结构我们可以得出结论: RunLoop和mode是一对多的关系。同时包括_commonModes属性，commonMode是一个伪模式。

CFRunLoopMode

可以通过以下代码获取当前线程RunLoop的currentMode和mode列表：
```
    CFRunLoopRef lp     = CFRunLoopGetCurrent();
    CFRunLoopMode mode  = CFRunLoopCopyCurrentMode(lp);
    NSLog(@"mode == %@",mode);

    CFArrayRef modeArray= CFRunLoopCopyAllModes(lp);
    NSLog(@"modeArray == %@",modeArray);
```
运行上面的代码，得到以下结果：

此时currentMode是kCFRunLoopDefaultMode，而当前线程的RunLoop包括了三种mode，分别是：UITrackingRunLoopMode、GSEventReceiveRunLoopMode、kCFRunLoopDefaultMode。
- 案例了解mode的切换
  
  引入下面的案例，用于了解mode的切换过程，见下图：
  
  RunLoop添加Timer时放在了DefaultMode，程序正常情况下也运行在DefaultMode，但在滚动视图时，切换到了UITrackingMode，timer事件也不再触发。当停止滚动视图，又切回到了DefaultMode，timer恢复运行。
  
  如何解决这个问题呢？我们可以将Timer添加到commonMode，为什么放在commonMode就不受视图滚动的影响了呢？下面会解答！
那么mode在底层是如何定义的呢？
```
    typedef struct __CFRunLoopMode *CFRunLoopModeRef;
    struct __CFRunLoopMode {
        CFRuntimeBase _base;
        pthread_mutex_t _lock;    /* must have the run loop locked before locking this */
        CFStringRef _name;
        Boolean _stopped;
        char _padding[3];
        CFMutableSetRef _sources0;
        CFMutableSetRef _sources1;
        CFMutableArrayRef _observers;
        CFMutableArrayRef _timers;
        CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
        __CFPortSet _portSet;
        CFIndex _observerMask;
    #if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
        dispatch_source_t _timerSource;
        dispatch_queue_t _queue;
        Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
        Boolean _dispatchTimerArmed;
    #endif
    #if USE_MK_TIMER_TOO
        mach_port_t _timerPort;
        Boolean _mkTimerArmed;
    #endif
    #if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
        DWORD _msgQMask;
        void (*_msgPump)(void);
    #endif
        uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
        uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
    };
```
__CFRunLoopMode源码定义中包括了4个set集合_sources0、_sources1、_observers、_timers，这四个集合也就是我们常说的事件（事务）。所以我们可以得出结论：CFRunLoopMode和sourses、timer、observer也是一对多的关系。

在Developer Document中搜索NSRunLoopMode可以找到，系统共维护了5种mode见下图：
- kCFRunLoopDefaultMode 默认的运行模式，通常主线程是在这个Mode下运行
- UITrackingRunLoopMode 界面跟踪Mode，用于ScrollView等视图，追踪触摸滑动，保证界面的滑动不受其他Mode的影响
- UIInitializationRunLoopMode 在刚启动App时进入的第一个Mode，启动完成后就不在使用
- GSEventReceiveRunLoopMode 接受系统时间的内部Mode，通常用不到
- kCFRunLoopCommonModes 是一个伪模式，可以在标记为CommonModes的模式下运行，RunLoop会自动将_commonModeItems里的source、observe、timer同步到具有标记的Mode里。

综上，可以得出以下关系图：

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RunLoop与线程一对一
RunLoop与Mode一对多
Mode和source、timer、observer也是一对多

5.RunLoop事件处理机制

在上面第二节，已经说明RunLoop处理APP中的各种事件（触摸、定时器、performSelector），也就是说block、timer、source0、source1、GCD、observer都需要依赖于RunLoop，那么这些事件是如何加入到RunLoop中的呢？底层又是如何去处理这些事件的呢？

1.添加事务

在源码中提供了一些事务(事件)添加方法，这些事务会添加到对应的mode中，见下图：

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block事务添加

当有block事务时，RunLoop会调用CFRunLoopPerformBlock方法，将block事务存储到对应的mode中，见下图：

在此过程中首先进行mode的判断处理，确定需要将事务放到哪个mode中，如果mode或者block为空，则释放；否则会创建一个block_item，该数据是一个链表结构，其存储了一个block和下一个节点的地址信息。
timer事务添加

当有timer事务时，RunLoop会调用CFRunLoopAddTimer方法，将block事务存储到对应的mode中，见下图：

这里会对mode进行判断，判断是否为commonModes，如果是会初始化_commonModeItems集合，并将timer事务添加到集合中。否则找到对应的mode，然后调用__CFRepositionTimerInMode方法，将timer添加到_timers集合中。

CFRunLoopAddObserver、CFRunLoopAddSource流程类似，这里不详细说明。

2.`RunLoop`循环

在程序运行的入口处设置断点，我们可以发现系统会首先调用CFRunLoopRunSpecific方法，启动RunLoop。见下图：

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下面跟踪RunLoop处理流程。在源码中查找CFRunLoopRunSpecific的方法实现，见下图：

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在这里注册了两个Observer，第一个Observer监视的事件是Entry(即将进入Loop)，第二个Observer监视Exit(即将退出Loop)。

进入__CFRunLoopRun方法，方法实现见下图：

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循环状态是对retVal进行控制，在循环过程中，会对状态进行判断，如，是否TimedOut、是否Stopped、是否Finished，来确定RunLoop是否需要销毁。

此部分代码是RunLoop的核心流程，关键点做了标注，总结下来，可以得出下面这个流程图：

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3.事务处理

上面两节已经摸清楚事务(事件)的添加流程、RunLoop循环处理流程，下面重点分析RunLoop在循环过程中是如何处理事务的。

在上面的do while循环中，有处理事务的入口：__CFRunLoopDoBlocks、__CFRunLoopDoTimers、__CFRunLoopDoSources0、__CFRunLoopDoSource1。

处理block事务

__CFRunLoopDoBlocks源码实现见下图：

在分析block事务添加过程时提到，block事务是以链表的形式存储的，这里进行处理事务时通过_next指针循环遍历所有的block事务。

block执行逻辑：
- 事务加入的mode和当前RunLoop的mode相等
- 当前mode是commonModes
- 通过调用回调函数__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__执行任务
```
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(void (^block)(void)) {
    if (block) {
        block();
    }
    asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization
}
```
处理timer事务

__CFRunLoopDoTimers源码实现见下图：

此过程中，会从当前mode的_timers中获取需要执行的timer事务，放入到数组timers中，然后在调用__CFRunLoopDoTimer方法执行timer。__CFRunLoopDoTimer实现原理见下图：

在此流程中会对Timer的状态进行判断，并调用函数__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__完成事务的执行。

__CFRunLoopDoSources0的处理流程不再详细介绍，最终会调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数。

总结可以得出以下流程图：

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6.RunLoop与AutoreleasePool

AutoreleasePool创建和释放

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。

也就是说AutoreleasePool创建是在一个RunLoop事件开始之前(push)，AutoreleasePool释放是在一个RunLoop事件即将结束之前(pop)。AutoreleasePool里的Autorelease对象的加入是在RunLoop事件中，AutoreleasePool里的Autorelease对象的释放是在AutoreleasePool释放时。

7.RunLoop总结

RunLoop是通过系统内部维护的循环进行事件、消息管理的一个对象。RunLoop实际上就是一个do...while循环，有任务时开始，无任务时休眠。本质是通过mach_msg()函数接收、发送消息。

RunLoop与线程的关系：
1. RunLoop的作用就是来管理线程，当线程的RunLoop开启后，线程就会在执行完任务后，处于休眠状态，随时等待接受新的任务，不会退出。
2. 只有主线程的RunLoop是默认开启的，其他线程的RunLoop需要手动开启。所以当程序开启后，主线程一直运行，不会退出。
RunLoop中涉及到5个重要的类：
1. CFRunLoop - RunLoop对象
2. CFRunLoopMode - 五种运行模式
3. CFRunLoopSource - 输入源/事件源，包括Source0和Source1
4. CFRunLoopTimer - 定时源，也就是NSTimer
5. CFRunLoopObserve - 观察者，用来监听RunLoop
CFRunLoopMode - 五种运行模式
- kCFRunLoopDefaultMode 默认的运行模式，通常主线程是在这个Mode下运行
- UITrackingRunLoopMode 界面跟踪Mode，用于ScrollView等视图，追踪触摸滑动，保证界面的滑动不受其他Mode的影响
- UIInitializationRunLoopMode 在刚启动App时进入的第一个Mode，启动完成后就不在使用
- GSEventReceiveRunLoopMode 接受系统时间的内部Mode，通常用不到
- kCFRunLoopCommonModes 是一个伪模式，可以在标记为CommonModes的模式下运行，RunLoop会自动将_commonModeItems里的source、observe、timer同步到具有标记的Mode里。
CFRunLoopSource - 事件源
- Source1:基于mach_port和回调函数指针，也就是端口通讯，处理来自系统内核或其他进程的事件，比如点击手机屏幕
- Source0:非基于Port的处理事件，也就是应用层事件（内部事件、APP负责管理的事件，UIEvent），包含一个回调函数指针，需要手动标记为待处理或者手动唤醒RunLoop，如performSelector、block等
- 例如：一个APP在前台静止，用户点击APP界面，屏幕表面的时事件会先包装成Event告诉source1（基于mach_port），source1唤醒RunLoop将事件Event分发给source0，由source0来处理。
CFRunLooTimer - 定时源

就是NSTimer，在预设的时间点唤醒RunLoop执行回调。因为它是基于RunLoop的，因此它不是实时的（Timer是不准确的，因为RunLoop只负责分发源消息。如果线程当前正在处理繁重的任务，就有可能导致Timer本次延时，或者少执行一次）。
CFRunLoopObserver - 观察者

用来监听时间点事件CFRunLoopActivity。
- KCFRunLoopEntery RunLoop准备启动
- kCFRunLoopBeforeTimers RunLoop将要处理一些Timer相关的事件
- kCFRunLoopBeforeSources RunLoop将要处理一些Source事件
- kCFRunLoopBeforeWaiting RunLoop将要进行休眠状态，即将由用户状态切换内核态
- kCFRunLoopAfterWaiting RunLoop被唤醒，即从内核态切换到用户态
- kCFRunLoopExit RunLoop退出
- kCfRunLoopAllActivitires 监听所有状态
各数据结构之间的联系
- RunLoop和线程是一对一的关系
- RunLoop和RunLoopMode是一对多的关系
- RunLoopMode和RunLoopSource是一对多的关系
- RunLoopMode和RunLoopTimer是一对多的关系
- RunLoopMode和RunLoopObserver是一对多的关系
为什么main函数能够保持一直存在且不退出？

在main函数内容会调用UIApplication函数，而在UIAPPlicationMain内部会启动主线程的RunLoop，可以做到有消息处理，能够迅速从内核态到用户态的切换，立刻唤醒处理，而没有消息处理时，通过用户态到内核态的切换进入等待状态，避免资源的占用。因此main函数能够一直存在并且不退出。

转载自:https://juejin.cn/post/7013559485461430286

iOS底层学习——RunLoop实现原理

1.什么是RunLoop

2.RunLoop的作用

3.RunLoop与线程的关系

4.RunLoop数据结构

5.RunLoop事件处理机制

1.添加事务

2.RunLoop循环

3.事务处理

6.RunLoop与AutoreleasePool

7.RunLoop总结

2.`RunLoop`循环