RunLoop原理

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在知道Runloop之前

一般来说，一个线程只能执行一个任务，执行完就会退出。当我们需要让线程可以随时处理事件而不退出线程，我们就要使用Runloop。
它内部是一个do while循环，不断地处理各种任务，保证线程能够的连续运行。

Runloop的目的

保证线程中有任务时可以执行线程工作。当线程中没有任务时，让线程休眠，提高程序性，节省资源。

Runloop的作用

Runloop原理

为了更好地理解Runloop，阅读源代码是一个不错的选择。老司机说有了源码，runloop就不会那么神秘了。首先，我们通常说runloop有两种。一个是NSRunloop，另一个是CFRunloop。那么让我先通过源码了解一下CFRunloop。首先，我们看一下基本的数据结构

1.CFRunloop的定义。

这里我注释了所有需要注意的参数

struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase           _base;
    pthread_mutex_t         _lock;      /* locked for accessing mode list */
    __CFPort                _wakeUpPort;    // used for CFRunLoopWakeUp 内核向该端口发送消息可以唤醒runloop
    Boolean                 _unused;
    volatile                _per_run_data *_perRunData; // reset for runs of the run loop
    pthread_t               _pthread;         //RunLoop对应的线程
    uint32_t                _winthread;
    CFMutableSetRef         _commonModes;     //存储的是字符串，记录所有标记为common的mode
    CFMutableSetRef         _commonModeItems; //存储所有commonMode的item(source、timer、observer)
    CFRunLoopModeRef        _currentMode;     //当前运行的mode
    CFMutableSetRef         _modes;           //存储的是CFRunLoopModeRef
    struct _block_item     *_blocks_head;     //doblocks的时候用到
    struct _block_item     *_blocks_tail;
    CFTypeRef             _counterpart;
};

可以看出CFRunloop是一个有很多属性的结构体。
看一下这个结构中我们需要注意的参数。每个runloop都有自己的mode，并且有不止一种mode,mode存放着runloop要处理的事件源。事件源有3种，source、timer和observer。
Runloop有很多模式，但是在某个时间只能有一种特定的模式，即_currentMode。下面第二项描述的是runloop的模式，它与runloop结构体（mode）相关参数中的几个模式有关：

另外，runloop 中的一种模式是 NSRunloop 常用模式。这种模式没有意义。它只是标记模式的集合；

2.CFRunloop的源代码。

struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase           _base;
    pthread_mutex_t         _lock;    /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef             _name;   //mode名称
    Boolean                 _stopped;    //mode是否被终止
    char                    _padding[3];
    // ------------->
    //几种事件
    CFMutableSetRef         _sources0;  //sources0
    CFMutableSetRef         _sources1;  //sources1
    CFMutableArrayRef       _observers; //通知
    CFMutableArrayRef       _timers;    //定时器
    CFMutableDictionaryRef  _portToV1SourceMap; //字典  key是mach_port_t，value是CFRunLoopSourceRef
    // <-------------
    __CFPortSet             _portSet; //保存所有需要监听的port，比如_wakeUpPort，_timerPort都保存在这个数组中
    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 */
};

其实CFRunloop相关的几个定义都是结构体，CFRunloopMode也是结构体。看代码了解CFRunloopMode的几个相关参数，主要是上面标注的四个参数

如上所述，runloop 用于处理事件。它主要处理三种类型的事件：源source、定时器timer和观察者observer。那么source也可以分为source0和source1两种。CFRunloopMode的定义中有四个集合，分别代表存储这四个事件源的集合，如上所述。

runloop 中的模式主要有以下几种：

当runloop启动时，只能选择一种模式作为currentmode。如果需要切换模式，只能退出当前模式，重新选择一个模式进入。

这里基于上面对CFRunloop和CRFunloopMode的理解，RunloopMode保存在runloop中，实际执行的任务保存在RunloopMode中。

3.RunloopMode

RunloopMode 存储了runloop要处理的事件源。事件源有3种：South、timer和observer。

1) CFRunloopSourceRef 是 South 事件的来源。看看它的定义。

struct __CFRunLoopSource {
    CFRuntimeBase           _base;
    uint32_t                _bits; // 用于标记Signaled状态，source0只有在被标记为Signaled状态，才会被处理
    pthread_mutex_t         _lock;
    CFIndex                 _order; // immutable
    CFMutableBagRef         _runLoops;
    union {
        CFRunLoopSourceContext version0; // immutable, except invalidation
        CFRunLoopSourceContext1 version1; // immutable, except invalidation
    } _context;
};

CFRunloopSourceRef 是runloop要处理的事件源之一。Version0 和 Version1 是 source0 和 source1 根据不同事件的处理来区分的。

2）CFRunLoopTimerRef 。runloop的相关定时器事件和定时器，定时执行一个任务，也在runloop中处理。

struct __CFRunLoopTimer {
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;  //标记fire状态
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;        //添加该timer的runloop
    CFMutableSetRef _rlModes;     //存放所有 包含该timer的 mode的 modeName，意味着一个timer可能会在多个mode中存在
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;      //理想时间间隔    /* immutable */
    CFTimeInterval _tolerance;    //时间偏差      /* mutable */
    uint64_t _fireTSR;            /* TSR units */
    CFIndex _order;            /* immutable */
    CFRunLoopTimerCallBack _callout;    /* immutable */
    CFRunLoopTimerContext _context;    /* immutable, except invalidation */
};

3）CFRunLoopObserverRef 。 CFRunloopObserverRef 是runloop的监听器，可以监听runloop的状态变化。

struct __CFRunLoopObserver {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFIndex _rlCount;
    CFOptionFlags _activities;        /* immutable */
    CFIndex _order;            /* immutable */
    CFRunLoopObserverCallBack _callout;    /* immutable */
    CFRunLoopObserverContext _context;    /* immutable, except invalidation */
};

Runloop在运行时有以下状态：

【面试点】
您可以将观察结果添加到runloop中。通过监控runloop的状态来判断是否卡顿。创建observer观察者，将创建的observer加入到主线程runloop的普通模式中，并创建一个连续的子线程来监控主线程的runloop状态。一旦发现睡眠前的kCFRonloopBeforeSource状态或者唤醒后的kCFRonloopFafterWaiting状态，在设定的时间阈值内没有变化，就可以判断为卡住了，转储堆栈的信息，从而进一步分析哪个方法有执行时间长。
以上为runloop的基本数据结构分析。

4、Runloop是如何运行的?

首先，如何创建一个runloop？其实runloop不需要手动创建。任何 runloop 都与一个线程相关联。先有线程，后有runloop。Apple 提供了两个 API。让我们获取runloop、CFRunloopGetMain() 和CFRunloopGetCurrent()。这两个方法分别获取当前线程的mainrunloop和runloop。

从上面两个函数可以看出，runloop是通过_CFRunloopGet0()，它以线程为参数，与通过key从NSDictionary中获取值非常相似。接下来看看_CRFunloopGet0()的实现。

获取线程的runloop。首先，以线程为key，从全局字典中查找。如果没有找到，就新建一个，以thread为key，runloop为value保存到全局字典中（如果全局字典不存在，先初始化全局字典，并创建MainRunloop保存到全局字典中）。以下是源代码，我添加了注释。

以上就是获取当前runloop的原理，以及任务在runloop内部是如何执行的。这是一个图表。

CFRunlooprun 和 CFRunloopRuninMode 都在内部调用 CFRunloopRunspecific。CFRunloopRunspecific内部调用__CFRunloopRun，CFRunloopRunspecific和__CFRunloopRun一起就是runloop的完整实现。看看下面的伪代码解释，就是runloop的内部逻辑：

Runloop和线程的关系

1. Runloop 存储在一个全局字典中。线程作为key，runloop作为Value。
2. 第一次创建线程时，没有runloop对象。Runloop 将在第一次获取时创建。
3. Runloop 在线程结束时会被销毁。
4. 主线程的runloop已经自动获取（创建），子线程默认不开启runloop。
5. 每个线程都有一个唯一的runloop对象与之对应。
6. 先有线程，后有runloop。

在日常开发中如何使用Runloop

1.控制线程生命周期（线程保持活动，线程永远保持）。原理：如果模式中没有soure0/source1/timer/observer，runloop会立即退出。因此，为了不让它退出，可以在runloop中添加一个soure1。这是af2中使用的原理。
下面AFNetworking的一个例子：

2. UITableView 延迟加载图片。将SETIMAGE置于NSDefaultRunloopMode中，即滑动时不会调用分配图片的方法，但滑动后切换到NSDefaultRunloopMode才会调用。

[self.img performSelector:@selector(setImage:) withObject:image afterDelay:0inModes:[NSDefaultRunLoopMode]];

3.解决了滑动时NSTimer停止工作的问题(将timer添加到NSRunLoopCommonModes模式)。

NSTimer * timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(timerEvent) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

默认情况下，计时器处于 NSDefaultRunloop 模式。当我们滑动页面的时候，runloop会切换到UITracking runloopmode，所以我们的定时器会停止工作。就像商场里的倒计时一样，当我们滑动页面时，倒计时就会停止。为了解决这个问题，我们需要让定时器工作在UITracking runloopmode，和NSRunloopCommonModes，这个模式相当于NSDefaultRunloopMode和UITrackingRunloopMode的组合。因此，为定时器指定NSRunnoopcommonModes模式，使定时器可以在NSDefaultRunloopMode和UITrackingRunnloopMode两种模式下运行。

4. 另外，可以通过监控runloop的状态来处理卡顿问题。

runloop的进入sleep前和唤醒后的两个loop状态定义的值分别是kCFRenloopbeforesources和kCFRenloopafterwaiting，即触发source0回调和接收mach_port消息有两种状态。创建observer观察者，将创建的observer加入到主线程runloop的普通模式中，并创建一个连续的子线程来监控主线程的runloop状态。一旦发现睡眠前的kCFRonloopBeforeSource状态或者唤醒后的kCFRonloopFafterwaiting状态，在设定的时间阈值内没有变化，就可以判断为卡住了，转储堆栈的信息，从而进一步分析哪个方法有执行时间长。

以上是开发中常用的runloop相关应用。