深入理解RunLoop[转载]

RunLoop是iOS开发中比较基础的一个问题，参考此文做了摘要总结了。

基本概念

• 
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 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
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。
CFRunLoop对外暴露的管理 Mode 接口只有下面2个:
  CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, …);

  • 
Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面几个：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);

CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, 
CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);



你只能通过 mode name 来操作内部的 mode，当你传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时，RunLoop会自动帮你创建对应的 CFRunLoopModeRef。对于一个 RunLoop 来说，其内部的 mode 只能增加不能删除。
苹果公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。
同时苹果还提供了一个操作 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”。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。


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:
其内部代码整理如下 （太长了从略）：
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。
苹果官方将整个系统大致划分为上述4个层次：
1. 应用层包括用户能接触到的图形应用，例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard 等。
2. 应用框架层即开发人员接触到的 Cocoa 等框架。
3. 核心框架层包括各种核心框架、OpenGL 等内容。
4. Darwin 即操作系统的核心，包括系统内核、驱动、Shell 等内容，这一层是开源的，其所有源码都可以在 opensource.apple.com 里找到。
• 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_size_t msgh_size;
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 local_port 和目标端口 remote_port，
发送和接受消息是通过同一个 API 进行的，其 option 标记了消息传递的方向：


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，mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap)，即函数mach_msg_trap()，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制，切换到内核态；内核态中内核实现的 mach_msg() 函数会完成实际的工作，如下图：
这些概念可以参考维基百科: System_call、Trap_(computing)。
RunLoop 的核心就是一个 mach_msg() (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。


苹果用 RunLoop 实现的功能

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。

(a) 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 _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。

(b) 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。

(c) 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。

(d) 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：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__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];

(e) 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，这个稍后我会再单独写一页博客来分析。

(f) 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。

关于GCD
实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西，比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 实现的 Timer。但同时 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop， 例如 dispatch_async()。
当调用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), 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 CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE() 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。

(h) 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:

CFSocketCFNetwork       ->ASIHttpRequestNSURLConnection ->AFNetworkingNSURLSession    ->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。

RunLoop 的实际应用举例
一 AFNetworking
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。

二 AsyncDisplayKit
AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架，其原理大致如下：
UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿，这类任务通常分为3类：排版，绘制，UI对象操作。
排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。
绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。
UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。
其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行，而最后一类操作只能在主线程完成，并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果 （例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小）。ASDK 所做的，就是尽量将能放入后台的任务放入后台，不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。
为此，ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode 的对象，并在内部封装了 UIView/CALayer，它具有和 UIView/CALayer 相似的属性，例如 frame、backgroundColor等。所有这些属性都可以在后台线程更改，开发者可以只通过 Node 来操作其内部的 UIView/CALayer，这样就可以将排版和绘制放入了后台线程。但是无论怎么操作，这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView/CALayer 去。
ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式，实现了一套类似的界面更新的机制：即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer，监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回调时，遍历所有之前放入队列的待处理的任务，然后一一执行。
具体的代码可以看这里：_ASAsyncTransactionGroup。