RunLoop总结与面试

之前关于RunLoop只知道一点，最近花时间重新系统的学习了一下，以下是我的学习笔记及总结。有不足的部分，望大佬不吝赐教。

1.RunLoop 概念

计算机处理任务有进程和线程的概念，而在iOS中一个App只能开启一个进程，但是线程可以开启多个。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。

当我们需要一个常驻线程，可以让线程在需要做事的时候忙起来，不需要的话就让线程休眠，可以这样做：

do {
   //获取消息
   //处理消息
} while (消息 ！= 退出)

上面的这种循环模型被称作 Event Loop。Event Loop 在很多系统和框架里都有实现，如 Windows 程序的消息循环、OSX/iOS 里的 RunLoop。

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

屏幕快照 2019-03-28 下午4.11.13.png

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。

2.RunLoop基本作用

1.使程序一直运行并接受用户输入
程序一启动就会开一个主线程，主线程一开起来就会跑一个主线程对应的RunLoop，RunLoop保证主线程不会被销毁，也就保证了程序的持续运行。
2.决定程序在何时应该处理哪些Event
比如：触摸事件，定时器事件，Selector事件等
3.节省CPU时间
程序运行起来时，什么操作都没有做的时候，RunLoop就告诉CPU，现在没有事情做，我要去休息，这时CPU就会将其资源释放出来去做其他的事情，当有事情做的时候RunLoop就会立马起来去做事情

3.RunLoop与线程

苹果不允许直接创建RunLoop，但是可以通过[NSRunLoop currentRunLoop]或者CFRunLoopGetCurrent()来获取（如果没有就会自动创建一个）。

// 拿到当前Runloop 调用_CFRunLoopGet0
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
    if (rl) return rl;
    return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}

// 查看_CFRunLoopGet0方法内部
CF_EXPORT CFRunLoopRef _CFRunLoopGet0(pthread_t t) {
    if (pthread_equal(t, kNilPthreadT)) {
    t = pthread_main_thread_np();
    }
    __CFLock(&loopsLock);
    if (!__CFRunLoops) {
        __CFUnlock(&loopsLock);
    CFMutableDictionaryRef dict = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorSystemDefault, 0, NULL, &kCFTypeDictionaryValueCallBacks);
    // 根据传入的主线程获取主线程对应的RunLoop
    CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
    // 保存主线程 将主线程-key和RunLoop-Value保存到字典中
    CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
    if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
        CFRelease(dict);
    }
    CFRelease(mainLoop);
        __CFLock(&loopsLock);
    }
    
    // 从字典里面拿，将线程作为key从字典里获取一个loop
    CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    __CFUnlock(&loopsLock);
    
    // 如果loop为空，则创建一个新的loop，所以runloop会在第一次获取的时候创建
    if (!loop) {  
    CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
        __CFLock(&loopsLock);
    loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    
    // 创建好之后，以线程为key runloop为value，一对一存储在字典中，下次获取的时候，则直接返回字典内的runloop
    if (!loop) { 
        CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
        loop = newLoop;
    }
        // don't release run loops inside the loopsLock, because CFRunLoopDeallocate may end up taking it
        __CFUnlock(&loopsLock);
    CFRelease(newLoop);
    }
    if (pthread_equal(t, pthread_self())) {
        _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoop, (void *)loop, NULL);
        if (0 == _CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr)) {
            _CFSetTSD(__CFTSDKeyRunLoopCntr, (void *)(PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1), (void (*)(void *))__CFFinalizeRunLoop);
        }
    }
    return loop;
}

从上面的代码可以看出:
线程和 RunLoop 之间是一一对应的，其关系是保存在一个 Dictionary 里。所以我们创建子线程RunLoop时，只需在子线程中获取当前线程的RunLoop对象即可[NSRunLoop currentRunLoop];如果不获取，那子线程就不会创建与之相关联的RunLoop，并且只能在一个线程的内部获取其 RunLoop
[NSRunLoop currentRunLoop];方法调用时，会先看一下字典里有没有存子线程相对用的RunLoop，如果有则直接返回RunLoop，如果没有则会创建一个，并将与之对应的子线程存入字典中。当线程结束时，RunLoop会被销毁。

总结：

线程和 RunLoop 之间是一一对应的；其关系保存在一个全局的 Dictionary 里，线程作为key,RunLoop作为value；线程创建之后是没有RunLoop的（主线程除外）；RunLoop在第一次获取时创建，在线程结束时销毁。

4.RunLoop 主要组成

RunLoop 有5个类

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

关系如下：

RunLoop 内部关系1

RunLoop 内部关系2

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 RunLoop，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。

4.1 CFRunLoopMode

CFRunLoopMode 结构大致如下：

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // mode名称
    CFMutableSetRef _sources0;    // sources0
    CFMutableSetRef _sources1;    // sources1
    CFMutableArrayRef _observers; // 通知
    CFMutableArrayRef _timers;    // 定时器
    __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
};

一个CFRunLoopMode对象有一个name，若干source0、source1、timer、observer和若干port，可见事件都是由Mode在管理，而RunLoop管理Mode。

特性

RunLoop在同一段时间只能且必须在一种特定Mode下Run
更换Mode时，需要停止当前Loop，然后重启新Loop
Mode是iOS App滑动顺畅的关键

苹果文档中提到的 Mode 有五个，分别是：

NSDefaultRunLoopMode：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行；
NSConnectionReplyMode
NSModalPanelRunLoopMode
NSEventTrackingRunLoopMode
NSRunLoopCommonModes

iOS 中公开暴露出来的只有 NSDefaultRunLoopMode 和 NSRunLoopCommonModes。
NSRunLoopCommonModes 实际上是一个 Mode 的集合，默认包括 NSDefaultRunLoopMode 和 NSEventTrackingRunLoopMode（注意：并不是说Runloop会运行在kCFRunLoopCommonModes这种模式下，而是相当于分别注册了 NSDefaultRunLoopMode和 UITrackingRunLoopMode。当然你也可以通过调用CFRunLoopAddCommonMode()方法将自定义Mode放到 kCFRunLoopCommonModes组合）。

4.2 CFRunLoopTimer
是基于时间的触发器，基本上说的就是NSTimer，它受RunLoop的Mode影响（GCD的定时器不受RunLoop的Mode影响），当其加入到 RunLoop 时，RunLoop会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调。如果线程阻塞或者不在这个Mode下，触发点将不会执行，一直等到下一个周期时间点触发。

特性：

CFRunLoopTimer 是定时器，可以在设定的时间点抛出回调
CFRunLoopTimer和NSTimer是toll-free bridged的，可以相互转换

RunLoopTimer的封装

+ (NSTimer *)timerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti   
invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;
+ (NSTimer *)scheduledTimerWithTimeInterval:(NSTimeInterval)ti 
 invocation:(NSInvocation *)invocation repeats:(BOOL)yesOrNo;

- (void)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)anArgument  
 afterDelay:(NSTimeInterval)delay inModes:(NSArray *)modes;

+ (CADisplayLink *)displayLinkWithTarget:(id)target selector:(SEL)sel;
- (void)addToRunLoop:(NSRunLoop *)runloop forMode:(NSString *)mode;

4.3 CFRunLoopSource
CFRunLoopSourceRef是事件源（输入源），定义了两个Version的Source:

Source0：处理App内部事件、App自己负责管理（触发），如UIEvent、CFSocket。
source0是非基于Port的。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：由RunLoop和内核管理，Mach port驱动，如CFMachPort、CFMessagePort。
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。

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

enum CFRunLoopActivity {
    kCFRunLoopEntry             = (1 << 0),    // 即将进入Loop   
    kCFRunLoopBeforeTimers      = (1 << 1),    // 即将处理 Timer        
    kCFRunLoopBeforeSources     = (1 << 2),    // 即将处理 Source  
    kCFRunLoopBeforeWaiting     = (1 << 5),    // 即将进入休眠     
    kCFRunLoopAfterWaiting      = (1 << 6),    // 刚从休眠中唤醒   
    kCFRunLoopExit              = (1 << 7),    // 即将退出Loop  
    kCFRunLoopAllActivities     = 0x0FFFFFFFU  // 包含上面所有状态  
};
typedef enum CFRunLoopActivity CFRunLoopActivity;

5.RunLoop 的内部逻辑

RunLoop 的内部逻辑

流程如下：

1.通知观察者 RunLoop 启动
之后调用内部函数，进入Loop，下面的流程都在Loop内部do-while函数中执行。
2.通知观察者: RunLoop 即将触发 Timer 回调。（kCFRunLoopBeforeTimers）
3.通知观察者: RunLoop 即将触发 Source0 回调
（kCFRunLoopBeforeSources）
4.RunLoop 触发 Source0 回调。
5.如果有 Source1 处于等待状态，直接处理这个 Source1 然后跳转到第9步处理消息。
6.通知观察者：RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。（kCFRunLoopBeforeWaiting）
7.调用 mach_msg监听唤醒端口
系统内核将这个线程挂起，停留在mach_msg_trap状态，等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒**

存在Source0被标记为待处理，系统调用CFRunLoopWakeUp唤醒线程处理事件
定时器时间到了
RunLoop自身的超时时间到了
RunLoop外部调用者唤醒

8.通知观察者线程已经被唤醒
（kCFRunLoopAfterWaiting）
9.处理事件

如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调
如果有dispatch到main_queue的block，执行block
如果一个 Source1 发出事件了，处理这个事件
事件处理完成进行判断：
进入loop时传入参数指明处理完事件就返回（stopAfterHandle）
超出传入参数标记的超时时间（timeout）
被外部调用者强制停止__CFRunLoopIsStopped(runloop)
source/timer/observer 全都空了__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)
上面4个条件都不满足，即没超时、mode里没空、loop也没被停止，那继续loop。此时跳转到步骤2继续循环。

10.系统通知观察者: RunLoop 即将退出。
满足步骤9事件处理完成判断4条中的任何一条，跳出do-while函数的内部，通知观察者Loop结束。

6.RunLoop 实际应用

6.1 AutoreleasePool

App启动之后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，回调都是_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。
1. 第一个observer，监听了一个事件：
即将进入Loop（kCFRunLoopEntry），其回调会调用 _objc_autoreleasePoolPush()创建一个栈自动释放池，这个优先级最高，保证创建释放池在其他操作之前。
2.第二个observer，监听了两个事件：
1).准备进入休眠（kCFRunLoopBeforeWaiting），此时调用 _objc_autoreleasePoolPop()和 _objc_autoreleasePoolPush()来释放旧的池并创建新的池。
2). 即将退出Loop（kCFRunLoopExit），此时调用 _objc_autoreleasePoolPop()释放自动释放池。这个 observer 的优先级最低，确保池子释放在所有回调之后。

在主线程中执行代码一般都是写在事件回调或Timer回调中的，这些回调都被加入了main thread的自动释放池中，所以在ARC模式下我们不用关心对象什么时候释放，也不用去创建和管理pool。

6.2 事件响应

系统注册了一个 Source1 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。

SpringBoard 只接收按键(锁屏/静音等)、触摸、加速，传感器等几种事件

随后用 mach port 转发给需要的App进程。随后系统注册的那个 Source1 就会触发回调，并调用_UIApplicationHandleEventQueue()进行应用内部的分发。
_UIApplicationHandleEventQueue()会把 IOHIDEvent 事件处理并包装成 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。

6.3 定时器

1.NSTimer 的工作原理
这里说的定时器就是NSTimer，我们使用频率最高的定时器，它的原型是CFRunLoopTimerRef。一个Timer注册 RunLoop 之后，RunLoop 会为这个Timer的重复时间点注册好事件。

需要注意：

1.如果某个重复的时间点由于线程阻塞或者其他原因错过了，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。
2.我们在哪个线程调用 NSTimer 就必须在哪个线程终止。

Timer 有个属性叫做 Tolerance (宽容度)，官方文档给它的解释是 Timer 的计时并不是准确的，有一定的误差。

2.NSTimer 优化使用
开发中常见的现象：在界面上有一个UIscrollview控件（tableview，collectionview等），如果此时还有一个定时器在执行一个事件，你会发现当你滚动scrollview的时候，定时器会失效。

这是因为，为了更好的用户体验，在主线程中UITrackingRunLoopMode的优先级最高。在用户拖动控件时，主线程的Run Loop是运行在UITrackingRunLoopMode下，而创建的Timer是默认关联为Default Mode，因此系统不会立即执行Default Mode下接收的事件。

解决方法1：
将当前 Timer 加入到 UITrackingRunLoopMode 或 kCFRunLoopCommonModes 中

NSTimer * timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(TimerFire:) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

解决方法2：
用GCD定时器

    //dispatch_source_t必须是全局或static变量，否则timer不会触发
    static dispatch_source_t timer;
    //创建新的调度源（这里传入的是DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER，创建的是Timer调度
    timer = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER, 0, 0, dispatch_get_main_queue());
    dispatch_source_set_timer(timer, DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC, 0 * NSEC_PER_SEC);
    dispatch_source_set_event_handler(timer, ^{
        NSLog(@"%@",[NSThread currentThread]);
    });
    //启动或继续定时器
    dispatch_resume(timer);

3.基于mode的拓展应用

用户滑动 scrollView 的过程中加载图片，由于UI的操作都是在主线程进行的，会造成滑动不流畅的问题，这个时候我们就需要在滑动的时候不加载图片，等滑动操作完成再进行加载图片的操作。

一般我们可以设置代理，当用户滑动结束的时候通知代理加载图片，这样比较麻烦太low，基于RunLoop的原理我们只要一行代码即可搞定。

UIImage *downloadedImage = ...;
[self.avatarImageView performSelector:@selector(setImage:)
                               withObject:downloadedImage
                               afterDelay:0
                                  inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];

通过将图片的设置 setImage: 添加到 DefaultMode 里面，确保在 UITrackingRunLoopMode 下该操作不会被执行，保证了滑动的流畅性。

6.4 RunLoop与GCD关系

当调用了dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), <#^(void)block#>)时，libDispatch会向主线程RunLoop发送消息唤醒RunLoop，RunLoop从消息中获取block，并且在__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__回调里执行这个block。dispatch_after同理。如图：

dispatch.png

7.相关面试题

1.谈谈runloop的理解；
2.runloop有哪些状态；
3.RunLoop的作用是什么？它的内部工作机制了解么？（最好结合线程来说） 4.TableView/ScrollView/CollectionView滚动时为什么NSTimer会停止？
5.RunLoop和线程有什么关系？

求知四阶段

不知自己不知道
不知自己已知道
已知自己已知道
知道自己不知道

参考文献：

深入理解RunLoop
孙源@sunnyxx 视频分享
 iOS RunLoop详解
 RunLoop的前世今生
 iOS底层原理总结 - RunLoop