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RunLoop深度探究(一)

RunLoop的概念

一般来讲,一个线程一次只能执行一个任务,执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制,让线程能随时处理事件但并不退出,通常的代码逻辑是这样的:

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function loop() {
    initialize();
    do {
        var message = get_next_message();
        process_message(message);
    } while (message != quit);
}

这种模型通常被称作 Event Loop。 Event Loop 在很多系统和框架里都有实现,比如 Node.js 的事件处理,比如 Windows 程序的消息循环,再比如 OSX/iOS 里的 RunLoop。实现这种模型的关键点在于:如何管理事件/消息,如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。

所以,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。

CFRunLoopRef 的代码是开源的,你可以在这里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz 下载到整个 CoreFoundation 的源码。为了方便跟踪和查看,你可以新建一个 Xcode 工程,把这堆源码拖进去看。

RunLoop与线程的关系

首先,iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread。过去苹果有份文档标明了 NSThread 只是 pthread_t 的封装,但那份文档已经失效了,现在它们也有可能都是直接包装自最底层的 mach thread。苹果并没有提供这两个对象相互转换的接口,但不管怎么样,可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一对应的。比如,你可以通过 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 来获取主线程;也可以通过 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 来获取当前线程。CFRunLoop 是基于 pthread 来管理的。

苹果不允许直接创建 RunLoop,它只提供了两个自动获取的函数:CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 这两个函数内部的逻辑大概是下面这样:

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/// 全局的Dictionary,key 是 pthread_t, value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;

/// 获取一个 pthread 对应的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);

    if (!loopsDic) {
        // 第一次进入时,初始化全局Dic,并先为主线程创建一个 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }

    /// 直接从 Dictionary 里获取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));

    if (!loop) {
        /// 取不到时,创建一个
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        /// 注册一个回调,当线程销毁时,顺便也销毁其对应的 RunLoop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }

    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}

CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

综上:线程和RunLoop之间是一一对应的,并且关系是保存在一个全局的字典中的,并且线程刚创建时是没有RunLoop的,如果你不获取它,他一直都不会有,RunLoop的创建发生在第一次获取的时候,RunLoop的销毁发生在线程结束时。并且只能在线程内部获取runloop(主线程除外)。

RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

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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: image 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。 image

CFRunLoopTimerRef是基于时间的触发器,他和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)。 image

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

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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
};

RunLoop的Mode

CFRunLoopMode和CFRunLoop的结构大致如下:

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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得“commonModes”中)。每当RnuLoop的内容发生变化时,RunLoop的都会自动将_commonModeItems里的Source/Timer/Observer同步到具有“Common”标记的所有的Mode。 应用举例:主线程 RunLoop 默认会预制两个 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,TrackingRunLoop是为了追踪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。此时滑动TableView时,RunLoop会将mode切换为TrackingRunLoopMode,这时Timer就不会被回调,也不会影响滑动的操作了。具体用例类似于在tableView中加入滚动广告栏,当你在操作tableView时会回调自动滚动栏的Timer,造成滚动栏的滑动出现卡顿。

有时你需要一个Timer,在两个Mode中都能得到回调,一种办法就是讲这个Timer加入两个Mode。还有一种就是讲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。

CFRunLoop对外暴漏的管理Mode的接口只有下面两个:

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CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName); // 给RunLoop添加到CommonMode中
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...); // 返回当前线程中指定mode的CFRunLoop对象

Mode暴露的管理mode item的接口有下面几个

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CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);// 添加一个CFRunLoopSource对象到一个run loop mode中(如果添加的Source是source0的话,这个方法将会调用 schedule 回调在source的上下文结构(context structure)的指定方法)。一个runloop source 可以同时被注册到多个 runloop 和 runloop modes 中。当source被发出信号,无论哪一个被注册的 runloop 都会开始检测第一个发出信号的 source 。 如过rl的mode中已经包含source时,这个方法将不会做任何事。
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName); // 添加CFRunLoopObserver对象到一个run loop mode中去。 讨论:一个 runloop 观察者只能被同时注册在一个 runloop 中,尽管它可以被通过他的tunloop添加到多个runloop modes中。 如果rl已经在 mode中 包含 obsever 中,这个方法将不会做任何事。
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName); // 添加CFRunLoopTimer 对象到一个runloop mode中 讨论:一个runloop timer 在同一时刻只能注册在一个run loop,尽管它可以被通过他的tunloop添加到多个runloop modes中。 如果rl已经在 mode中 包含 obsever 中,这个方法将不会做任何事
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName); // 从run loop mode 移除 Observer 对象,如果 rl 没有包含参数中的Observer,则该函数不做任何处理
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode); // 从run loop mode 移除 timer 对象,如果 rl 没有包含参数中的timer,则该函数不做任何处理

以上接口可以看出,只能通过mode name操作内部mode,当你传入一个新的mode name但runloop内部没有对应的mode时,runloop会自动帮你创建对应的CFRunloopModeRef。并且官方文档明确指出,对于runloop来说,其内部的mode只能增加不能删除。

苹果官方公开的内部mode有两个:CFRunLoopDefaultMode(NSDefaultRunLoopMode)和UITrackingRunLoopMode,你可以用这两个 Mode Name来操作对应的 Mode。 同时苹果还提出了一个操作Common标记的字符串:kCFRunLoopCommonModes(NSRunLoopCommonModes),你可以用这个字符串来操作Common Items,或标记一个Mode为“Common”。使用时注意区分该字符串与其他mode name。

特别致谢:

http://blog.ibireme.com/ 2015/05/18/runloop/#more-41710

参考文章:

深入理解RunLoop:

http://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/#more-41710

Apple Document:

https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Cocoa/Conceptual/Multithreading/RunLoopManagement/RunLoopManagement.html

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