Runloop

時間  2019-12-08
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  • RunLoop 對外的接口前端

  • RunLoop 的 Modegit

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  • RunLoop 的底層實現segmentfault

  • 蘋果用 RunLoop 實現的功能安全

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    • 事件響應架構

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    • 定時器

    • PerformSelecter

    • 關於GCD

    • 關於網絡請求

  • RunLoop 的實際應用舉例

    • AFNetworking

    • AsyncDisplayKit

RunLoop 的概念

通常來說，一個線程一次只能執行一個任務，執行完成後線程就會退出。若是咱們須要一個機制，讓線程能隨時處理事件但並不退出，一般的代碼邏輯是這樣的：

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

這種模型一般被稱做 Event Loop。 Event Loop 在不少系統和框架裏都有實現，好比 Node.js 的事件處理，好比 Windows 程序的消息循環，再好比 OSX/iOS 裏的 RunLoop。實現這種模型的關鍵點在於：如何管理事件/消息，如何讓線程在沒有處理消息時休眠以免資源佔用、在有消息到來時馬上被喚醒。

因此，RunLoop 實際上就是一個對象，這個對象管理了其須要處理的事件和消息，並提供了一個入口函數來執行上面 Event Loop 的邏輯。線程執行了這個函數後，就會一直處於這個函數內部 "接受消息->等待->處理" 的循環中，直到這個循環結束（好比傳入 quit 的消息），函數返回。

OSX/iOS 系統中，提供了兩個這樣的對象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。

CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內的，它提供了純 C 函數的 API，全部這些 API 都是線程安全的。

NSRunLoop 是基於 CFRunLoopRef 的封裝，提供了面向對象的 API，可是這些 API 不是線程安全的。

CFRunLoopRef 的代碼是開源的，你能夠在這裏 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz 下載到整個 CoreFoundation 的源碼。爲了方便跟蹤和查看，你能夠新建一個 Xcode 工程，把這堆源碼拖進去看。

RunLoop 與線程的關係

首先，iOS 開發中能遇到兩個線程對象: pthread_t 和 NSThread。過去蘋果有份文檔標明瞭 NSThread 只是 pthread_t 的封裝，但那份文檔已經失效了，如今它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread。蘋果並無提供這兩個對象相互轉換的接口，但無論怎麼樣，能夠確定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應的。好比，你能夠經過 pthread_main_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主線程；也能夠經過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當前線程。CFRunLoop 是基於 pthread 來管理的。

蘋果不容許直接建立 RunLoop，它只提供了兩個自動獲取的函數：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函數內部的邏輯大概是下面這樣:

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/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
static CFSpinLock_t loopsLock;
  
/// 獲取一個 pthread 對應的 RunLoop。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
     OSSpinLockLock(&loopsLock);
     
     if  (!loopsDic) {
         // 第一次進入時，初始化全局Dic，並先爲主線程建立一個 RunLoop。
         loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
         CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
         CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
     }
     
     /// 直接從 Dictionary 裏獲取。
     CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
     
     if  (!loop) {
         /// 取不到時，建立一個
         loop = _CFRunLoopCreate();
         CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
         /// 註冊一個回調，當線程銷燬時，順便也銷燬其對應的 RunLoop。
         _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
     }
     
     OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
     return  loop;
}
  
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
     return  _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
  
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
     return  _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

從上面的代碼能夠看出，線程和 RunLoop 之間是一一對應的，其關係是保存在一個全局的 Dictionary 裏。線程剛建立時並無 RunLoop，若是你不主動獲取，那它一直都不會有。RunLoop 的建立是發生在第一次獲取時，RunLoop 的銷燬是發生在線程結束時。你只能在一個線程的內部獲取其 RunLoop（主線程除外）。

RunLoop 對外的接口

在 CoreFoundation 裏面關於 RunLoop 有5個類:

  • CFRunLoopRef

  • CFRunLoopModeRef

  • CFRunLoopSourceRef

  • CFRunLoopTimerRef

  • CFRunLoopObserverRef

其中 CFRunLoopModeRef 類並無對外暴露，只是經過 CFRunLoopRef 的接口進行了封裝。他們的關係以下:

blob.png

一個 RunLoop 包含若干個 Mode，每一個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次調用 RunLoop 的主函數時，只能指定其中一個 Mode，這個Mode被稱做 CurrentMode。若是須要切換 Mode，只能退出 Loop，再從新指定一個 Mode 進入。這樣作主要是爲了分隔開不一樣組的 Source/Timer/Observer，讓其互不影響。

CFRunLoopSourceRef 是事件產生的地方。Source有兩個版本：Source0 和 Source1。

  • Source0 只包含了一個回調（函數指針），它並不能主動觸發事件。使用時，你須要先調用 CFRunLoopSourceSignal(source)，將這個 Source 標記爲待處理，而後手動調用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop，讓其處理這個事件。

  • Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調（函數指針），被用於經過內核和其餘線程相互發送消息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程，其原理在下面會講到。

CFRunLoopTimerRef 是基於時間的觸發器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，能夠混用。其包含一個時間長度和一個回調（函數指針）。當其加入到 RunLoop 時，RunLoop會註冊對應的時間點，當時間點到時，RunLoop會被喚醒以執行那個回調。

CFRunLoopObserverRef 是觀察者，每一個 Observer 都包含了一個回調（函數指針），當 RunLoop 的狀態發生變化時，觀察者就能經過回調接受到這個變化。能夠觀測的時間點有如下幾個：

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typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
     kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0),  // 即將進入Loop
     kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1),  // 即將處理 Timer
     kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),  // 即將處理 Source
     kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),  // 即將進入休眠
     kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6),  // 剛從休眠中喚醒
     kCFRunLoopExit          = (1UL << 7),  // 即將退出Loop
};

上面的 Source/Timer/Observer 被統稱爲 mode item，一個 item 能夠被同時加入多個 mode。但一個 item 被重複加入同一個 mode 時是不會有效果的。若是一個 mode 中一個 item 都沒有，則 RunLoop 會直接退出，不進入循環。

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結構大體以下：

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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
     CFRunLoopModeRef _currentMode;     // Current Runloop Mode
     CFMutableSetRef _modes;            // Set
     ...
};

這裏有個概念叫 "CommonModes"：一個 Mode 能夠將本身標記爲"Common"屬性（經過將其 ModeName 添加到 RunLoop 的 "commonModes" 中）。每當 RunLoop 的內容發生變化時，RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 裏的 Source/Observer/Timer 同步到具備 "Common" 標記的全部Mode裏。

應用場景舉例：主線程的 RunLoop 裏有兩個預置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。這兩個 Mode 都已經被標記爲"Common"屬性。DefaultMode 是 App 平時所處的狀態，TrackingRunLoopMode 是追蹤 ScrollView 滑動時的狀態。當你建立一個 Timer 並加到 DefaultMode 時，Timer 會獲得重複回調，但此時滑動一個TableView時，RunLoop 會將 mode 切換爲 TrackingRunLoopMode，這時 Timer 就不會被回調，而且也不會影響到滑動操做。

有時你須要一個 Timer，在兩個 Mode 中都能獲得回調，一種辦法就是將這個 Timer 分別加入這兩個 Mode。還有一種方式，就是將 Timer 加入到頂層的 RunLoop 的 "commonModeItems" 中。"commonModeItems" 被 RunLoop 自動更新到全部具備"Common"屬性的 Mode 裏去。

CFRunLoop對外暴露的管理 Mode 接口只有下面2個:

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CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面幾個：

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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);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

你只能經過 mode name 來操做內部的 mode，當你傳入一個新的 mode name 但 RunLoop 內部沒有對應 mode 時，RunLoop會自動幫你建立對應的 CFRunLoopModeRef。對於一個 RunLoop 來講，其內部的 mode 只能增長不能刪除。

蘋果公開提供的 Mode 有兩個：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你能夠用這兩個 Mode Name 來操做其對應的 Mode。

同時蘋果還提供了一個操做 Common 標記的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你能夠用這個字符串來操做 Common Items，或標記一個 Mode 爲 "Common"。使用時注意區分這個字符串和其餘 mode name。

RunLoop 的內部邏輯

根據蘋果在文檔裏的說明，RunLoop 內部的邏輯大體以下:

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其內部代碼整理以下 （太長了不想看能夠直接跳過去，後面會有說明）：

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/// 用DefaultMode啓動
void CFRunLoopRun(void) {
     CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10,  false );
}
  
/// 用指定的Mode啓動，容許設置RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
     return  CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
  
/// RunLoop的實現
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
     
     /// 首先根據modeName找到對應mode
     CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName,  false );
     /// 若是mode裏沒有source/timer/observer, 直接返回。
     if  (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode))  return ;
     
     /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進入 loop。
     __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
     
     /// 內部函數，進入loop
     __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
         
         Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
         int retVal = 0;
         do  {
  
             /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Timer 回調。
             __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
             /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回調。
             __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
             /// 執行被加入的block
             __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
             
             /// 4. RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回調。
             sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
             /// 執行被加入的block
             __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
  
             /// 5. 若是有 Source1 (基於port) 處於 ready 狀態，直接處理這個 Source1 而後跳轉去處理消息。
             if  (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                 Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                 if  (hasMsg) goto handle_msg;
             }
             
             /// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)。
             if  (!sourceHandledThisLoop) {
                 __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
             }
             
             /// 7. 調用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。線程將進入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒。
             /// ? 一個基於 port 的Source 的事件。
             /// ? 一個 Timer 到時間了
             /// ? RunLoop 自身的超時時間到了
             /// ? 被其餘什麼調用者手動喚醒
             __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                 mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port);  // thread wait for receive msg
             }
  
             /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了。
             __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
             
             /// 收到消息，處理消息。
             handle_msg:
  
             /// 9.1 若是一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回調。
             if  (msg_is_timer) {
                 __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
             } 
  
             /// 9.2 若是有dispatch到main_queue的block，執行block。
             else  if  (msg_is_dispatch) {
                 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
             } 
  
             /// 9.3 若是一個 Source1 (基於port) 發出事件了，處理這個事件
             else  {
                 CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                 sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                 if  (sourceHandledThisLoop) {
                     mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                 }
             }
             
             /// 執行加入到Loop的block
             __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
             
  
             if  (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                 /// 進入loop時參數說處理完事件就返回。
                 retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
             }  else  if  (timeout) {
                 /// 超出傳入參數標記的超時時間了
                 retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
             }  else  if  (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                 /// 被外部調用者強制中止了
                 retVal = kCFRunLoopRunStopped;
             }  else  if  (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                 /// source/timer/observer一個都沒有了
                 retVal = kCFRunLoopRunFinished;
             }
             
             /// 若是沒超時，mode裏沒空，loop也沒被中止，那繼續loop。
         }  while  (retVal == 0);
     }
     
     /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出。
     __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

能夠看到，實際上 RunLoop 就是這樣一個函數，其內部是一個 do-while 循環。當你調用 CFRunLoopRun() 時，線程就會一直停留在這個循環裏；直到超時或被手動中止，該函數纔會返回。

RunLoop 的底層實現

從上面代碼能夠看到，RunLoop 的核心是基於 mach port 的，其進入休眠時調用的函數是 mach_msg()。爲了解釋這個邏輯，下面稍微介紹一下 OSX/iOS 的系統架構。

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蘋果官方將整個系統大體劃分爲上述4個層次：

  1. 應用層包括用戶能接觸到的圖形應用，例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard 等。

  2. 應用框架層即開發人員接觸到的 Cocoa 等框架。

  3. 核心框架層包括各類核心框架、OpenGL 等內容。

  4. Darwin 即操做系統的核心，包括系統內核、驅動、Shell 等內容，這一層是開源的，其全部源碼均可以在opensource.apple.com 裏找到。

咱們在深刻看一下 Darwin 這個核心的架構：

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其中，在硬件層上面的三個組成部分：Mach、BSD、IOKit (還包括一些上面沒標註的內容)，共同組成了 XNU 內核。

XNU 內核的內環被稱做 Mach，其做爲一個微內核，僅提供了諸如處理器調度、IPC (進程間通訊)等很是少許的基礎服務。

BSD 層能夠看做圍繞 Mach 層的一個外環，其提供了諸如進程管理、文件系統和網絡等功能。

IOKit 層是爲設備驅動提供了一個面向對象(C++)的一個框架。

Mach 自己提供的 API 很是有限，並且蘋果也不鼓勵使用 Mach 的 API，可是這些API很是基礎，若是沒有這些API的話，其餘任何工做都沒法實施。在 Mach 中，全部的東西都是經過本身的對象實現的，進程、線程和虛擬內存都被稱爲"對象"。和其餘架構不一樣， Mach 的對象間不能直接調用，只能經過消息傳遞的方式實現對象間的通訊。"消息"是 Mach 中最基礎的概念，消息在兩個端口 (port) 之間傳遞，這就是 Mach 的 IPC (進程間通訊) 的核心。

Mach 的消息定義是在頭文件的，很簡單：

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typedef struct {
   mach_msg_header_t header;
   mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t;
  
typedef struct {
   mach_msg_bits_t msgh_bits;
   mach_msg_size_t msgh_size;
   mach_port_t msgh_remote_port;
   mach_port_t msgh_local_port;
   mach_port_name_t msgh_voucher_port;
   mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t;

一條 Mach 消息實際上就是一個二進制數據包 (BLOB)，其頭部定義了當前端口 local_port 和目標端口 remote_port，

發送和接受消息是經過同一個 API 進行的，其 option 標記了消息傳遞的方向：

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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);

爲了實現消息的發送和接收，mach_msg() 函數其實是調用了一個 Mach 陷阱 (trap)，即函數mach_msg_trap()，陷阱這個概念在 Mach 中等同於系統調用。當你在用戶態調用 mach_msg_trap() 時會觸發陷阱機制，切換到內核態；內核態中內核實現的 mach_msg() 函數會完成實際的工做，以下圖：

blob.png

這些概念能夠參考維基百科: System_call、Trap_(computing)。

RunLoop 的核心就是一個 mach_msg() (見上面代碼的第7步)，RunLoop 調用這個函數去接收消息，若是沒有別人發送 port 消息過來，內核會將線程置於等待狀態。例如你在模擬器裏跑起一個 iOS 的 App，而後在 App 靜止時點擊暫停，你會看到主線程調用棧是停留在 mach_msg_trap() 這個地方。

關於具體的如何利用 mach port 發送信息，能夠看看 NSHipster 這一篇文章，或者這裏的中文翻譯 。

關於Mach的歷史能夠看看這篇頗有趣的文章：Mac OS X 背後的故事（三）Mach 之父 Avie Tevanian。

蘋果用 RunLoop 實現的功能

首先咱們能夠看一下 App 啓動後 RunLoop 的狀態：

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CFRunLoop {
     current mode = kCFRunLoopDefaultMode
     common modes = {
         UITrackingRunLoopMode
         kCFRunLoopDefaultMode
     }
  
     common mode items = {
  
         // source0 (manual)
         CFRunLoopSource {order =-1, {
             callout = _UIApplicationHandleEventQueue}}
         CFRunLoopSource {order =-1, {
             callout = PurpleEventSignalCallback }}
         CFRunLoopSource {order = 0, {
             callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
  
         // source1 (mach port)
         CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 17923}}
         CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 12039}}
         CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 16647}}
         CFRunLoopSource {order =-1, {
             callout = PurpleEventCallback}}
         CFRunLoopSource {order = 0, {port = 2407,
             callout = _ZL20notify_port_callbackP12__CFMachPortPvlS1_}}
         CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1c03,
             callout = __IOHIDEventSystemClientAvailabilityCallback}}
         CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1b03,
             callout = __IOHIDEventSystemClientQueueCallback}}
         CFRunLoopSource {order = 1, {port = 1903,
             callout = __IOMIGMachPortPortCallback}}
  
         // Ovserver
         CFRunLoopObserver {order = -2147483647, activities = 0x1,  // Entry
             callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
         CFRunLoopObserver {order = 0, activities = 0x20,           // BeforeWaiting
             callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver}
         CFRunLoopObserver {order = 1999000, activities = 0xa0,     // BeforeWaiting | Exit
             callout = _afterCACommitHandler}
         CFRunLoopObserver {order = 2000000, activities = 0xa0,     // BeforeWaiting | Exit
             callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
         CFRunLoopObserver {order = 2147483647, activities = 0xa0,  // BeforeWaiting | Exit
             callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
  
         // Timer
         CFRunLoopTimer {firing = No, interval = 3.1536e+09, tolerance = 0,
             next fire date = 453098071 (-4421.76019 @ 96223387169499),
             callout = _ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv (QuartzCore.framework)}
     },
  
     modes ＝ {
         CFRunLoopMode  {
             sources0 =  {  /* same as 'common mode items' */  },
             sources1 =  {  /* same as 'common mode items' */  },
             observers = {  /* same as 'common mode items' */  },
             timers =    {  /* same as 'common mode items' */  },
         },
  
         CFRunLoopMode  {
             sources0 =  {  /* same as 'common mode items' */  },
             sources1 =  {  /* same as 'common mode items' */  },
             observers = {  /* same as 'common mode items' */  },
             timers =    {  /* same as 'common mode items' */  },
         },
  
         CFRunLoopMode  {
             sources0 = {
                 CFRunLoopSource {order = 0, {
                     callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
             },
             sources1 = ( null ),
             observers = {
                 CFRunLoopObserver >{activities = 0xa0, order = 2000000,
                     callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
             )},
             timers = ( null ),
         },
  
         CFRunLoopMode  {
             sources0 = {
                 CFRunLoopSource {order = -1, {
                     callout = PurpleEventSignalCallback}}
             },
             sources1 = {
                 CFRunLoopSource {order = -1, {
                     callout = PurpleEventCallback}}
             },
             observers = ( null ),
             timers = ( null ),
         },
         
         CFRunLoopMode  {
             sources0 = ( null ),
             sources1 = ( null ),
             observers = ( null ),
             timers = ( null ),
         }
     }
}

能夠看到，系統默認註冊了5個Mode:

1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默認 Mode，一般主線程是在這個 Mode 下運行的。

2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟蹤 Mode，用於 ScrollView 追蹤觸摸滑動，保證界面滑動時不受其餘 Mode 影響。

3. UIInitializationRunLoopMode: 在剛啓動 App 時第進入的第一個 Mode，啓動完成後就再也不使用。

4: GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統事件的內部 Mode，一般用不到。

5: kCFRunLoopCommonModes: 這是一個佔位的 Mode，沒有實際做用。

你能夠在這裏看到更多的蘋果內部的 Mode，但那些 Mode 在開發中就很難遇到了。

當 RunLoop 進行回調時，通常都是經過一個很長的函數調用出去 (call out), 當你在你的代碼中下斷點調試時，一般能在調用棧上看到這些函數。下面是這幾個函數的整理版本，若是你在調用棧中看到這些長函數名，在這裏查找一下就能定位到具體的調用地點了：

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{
     /// 1. 通知Observers，即將進入RunLoop
     /// 此處有Observer會建立AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
     __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);
     do  {
  
         /// 2. 通知 Observers: 即將觸發 Timer 回調。
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
         /// 3. 通知 Observers: 即將觸發 Source (非基於port的,Source0) 回調。
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
  
         /// 4. 觸發 Source0 (非基於port的) 回調。
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
  
         /// 6. 通知Observers，即將進入休眠
         /// 此處有Observer釋放並新建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop(); _objc_autoreleasePoolPush();
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting);
  
         /// 7. sleep to wait msg.
         mach_msg() -> mach_msg_trap();
         
  
         /// 8. 通知Observers，線程被喚醒
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);
  
         /// 9. 若是是被Timer喚醒的，回調Timer
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);
  
         /// 9. 若是是被dispatch喚醒的，執行全部調用 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block
         __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);
  
         /// 9. 若是若是Runloop是被 Source1 (基於port的) 的事件喚醒了，處理這個事件
         __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);
  
  
     }  while  (...);
  
     /// 10. 通知Observers，即將退出RunLoop
     /// 此處有Observer釋放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
     __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

AutoreleasePool

App啓動後，蘋果在主線程 RunLoop 裏註冊了兩個 Observer，其回調都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一個 Observer 監視的事件是 Entry(即將進入Loop)，其回調內會調用 _objc_autoreleasePoolPush() 建立自動釋放池。其 order 是-2147483647，優先級最高，保證建立釋放池發生在其餘全部回調以前。

第二個 Observer 監視了兩個事件： BeforeWaiting(準備進入休眠) 時調用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並建立新池；Exit(即將退出Loop) 時調用 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647，優先級最低，保證其釋放池子發生在其餘全部回調以後。

在主線程執行的代碼，一般是寫在諸如事件回調、Timer回調內的。這些回調會被 RunLoop 建立好的 AutoreleasePool 環繞着，因此不會出現內存泄漏，開發者也沒必要顯示建立 Pool 了。

事件響應

蘋果註冊了一個 Source1 (基於 mach port 的) 用來接收系統事件，其回調函數爲 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

當一個硬件事件(觸摸/鎖屏/搖晃等)發生後，首先由 IOKit.framework 生成一個 IOHIDEvent 事件並由 SpringBoard 接收。這個過程的詳細狀況能夠參考這裏。SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等)，觸摸，加速，接近傳感器等幾種 Event，隨後用 mach port 轉發給須要的App進程。隨後蘋果註冊的那個 Source1 就會觸發回調，並調用 _UIApplicationHandleEventQueue() 進行應用內部的分發。

_UIApplicationHandleEventQueue() 會把 IOHIDEvent 處理幷包裝成 UIEvent 進行處理或分發，其中包括識別 UIGesture/處理屏幕旋轉/發送給 UIWindow 等。一般事件好比 UIButton 點擊、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在這個回調中完成的。

手勢識別

當上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 識別了一個手勢時，其首先會調用 Cancel 將當前的 touchesBegin/Move/End 系列回調打斷。隨後系統將對應的 UIGestureRecognizer 標記爲待處理。

蘋果註冊了一個 Observer 監測 BeforeWaiting (Loop即將進入休眠) 事件，這個Observer的回調函數是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其內部會獲取全部剛被標記爲待處理的 GestureRecognizer，並執行GestureRecognizer的回調。

當有 UIGestureRecognizer 的變化(建立/銷燬/狀態改變)時，這個回調都會進行相應處理。

界面更新

當在操做 UI 時，好比改變了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的層次時，或者手動調用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法後，這個 UIView/CALayer 就被標記爲待處理，並被提交到一個全局的容器去。

蘋果註冊了一個 Observer 監聽 BeforeWaiting(即將進入休眠) 和 Exit (即將退出Loop) 事件，回調去執行一個很長的函數：

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。這個函數裏會遍歷全部待處理的 UIView/CAlayer 以執行實際的繪製和調整，並更新 UI 界面。

這個函數內部的調用棧大概是這樣的：

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_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];

定時器

NSTimer 其實就是 CFRunLoopTimerRef，他們之間是 toll-free bridged 的。一個 NSTimer 註冊到 RunLoop 後，RunLoop 會爲其重複的時間點註冊好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 這幾個時間點。RunLoop爲了節省資源，並不會在很是準確的時間點回調這個Timer。Timer 有個屬性叫作 Tolerance (寬容度)，標示了當時間點到後，允許有多少最大偏差。

若是某個時間點被錯過了，例如執行了一個很長的任務，則那個時間點的回調也會跳過去，不會延後執行。就好比等公交，若是 10:10 時我忙着玩手機錯過了那個點的公交，那我只能等 10:20 這一趟了。

CADisplayLink 是一個和屏幕刷新率一致的定時器（但實際實現原理更復雜，和 NSTimer 並不同，其內部實際是操做了一個 Source）。若是在兩次屏幕刷新之間執行了一個長任務，那其中就會有一幀被跳過去（和 NSTimer 類似），形成界面卡頓的感受。在快速滑動TableView時，即便一幀的卡頓也會讓用戶有所察覺。Facebook 開源的 AsyncDisplayLink 就是爲了解決界面卡頓的問題，其內部也用到了 RunLoop，這個稍後我會再單獨寫一頁博客來分析。

PerformSelecter

當調用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 後，實際上其內部會建立一個 Timer 並添加到當前線程的 RunLoop 中。因此若是當前線程沒有 RunLoop，則這個方法會失效。

當調用 performSelector:onThread: 時，實際上其會建立一個 Timer 加到對應的線程去，一樣的，若是對應線程沒有 RunLoop 該方法也會失效。

關於GCD

實際上 RunLoop 底層也會用到 GCD 的東西，好比 RunLoop 是用 dispatch_source_t 實現的 Timer。但同時 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop， 例如 dispatch_async()。

當調用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 時，libDispatch 會向主線程的 RunLoop 發送消息，RunLoop會被喚醒，並從消息中取得這個 block，並在回調 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 裏執行這個 block。但這個邏輯僅限於 dispatch 到主線程，dispatch 到其餘線程仍然是由 libDispatch 處理的。

關於網絡請求

iOS 中，關於網絡請求的接口自下至上有以下幾層:

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CFSocket
CFNetwork       ->ASIHttpRequest
NSURLConnection ->AFNetworking
NSURLSession    ->AFNetworking2, Alamofire

  • CFSocket 是最底層的接口，只負責 socket 通訊。

  • CFNetwork 是基於 CFSocket 等接口的上層封裝，ASIHttpRequest 工做於這一層。

  • NSURLConnection 是基於 CFNetwork 的更高層的封裝，提供面向對象的接口，AFNetworking 工做於這一層。

  • NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口，表面上是和 NSURLConnection 並列的，但底層仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (好比 com.apple.NSURLConnectionLoader 線程)，AFNetworking2 和 Alamofire 工做於這一層。

下面主要介紹下 NSURLConnection 的工做過程。

一般使用 NSURLConnection 時，你會傳入一個 Delegate，當調用了 [connection start] 後，這個 Delegate 就會不停收到事件回調。實際上，start 這個函數的內部會會獲取 CurrentRunLoop，而後在其中的 DefaultMode 添加了4個 Source0 (即須要手動觸發的Source)。CFMultiplexerSource 是負責各類 Delegate 回調的，CFHTTPCookieStorage 是處理各類 Cookie 的。

當開始網絡傳輸時，咱們能夠看到 NSURLConnection 建立了兩個新線程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 線程是處理底層 socket 鏈接的。NSURLConnectionLoader 這個線程內部會使用 RunLoop 來接收底層 socket 的事件，並經過以前添加的 Source0 通知到上層的 Delegate。

blob.png

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 經過一些基於 mach port 的 Source 接收來自底層 CFSocket 的通知。當收到通知後，其會在合適的時機向 CFMultiplexerSource 等 Source0 發送通知，同時喚醒 Delegate 線程的 RunLoop 來讓其處理這些通知。CFMultiplexerSource 會在 Delegate 線程的 RunLoop 對 Delegate 執行實際的回調。

RunLoop 的實際應用舉例

AFNetworking

AFURLConnectionOperation 這個類是基於 NSURLConnection 構建的，其但願能在後臺線程接收 Delegate 回調。爲此 AFNetworking 單首創建了一個線程，並在這個線程中啓動了一個 RunLoop：

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+ (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 啓動前內部必需要有至少一個 Timer/Observer/Source，因此 AFNetworking 在 [runLoop run] 以前先建立了一個新的 NSMachPort 添加進去了。一般狀況下，調用者須要持有這個 NSMachPort (mach_port) 並在外部線程經過這個 port 發送消息到 loop 內；但此處添加 port 只是爲了讓 RunLoop 不至於退出，並無用於實際的發送消息。

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- (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];
}

當須要這個後臺線程執行任務時，AFNetworking 經過調用 [NSObject performSelector:onThread:..] 將這個任務扔到了後臺線程的 RunLoop 中。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用於保持界面流暢性的框架，其原理大體以下：

UI 線程中一旦出現繁重的任務就會致使界面卡頓，這類任務一般分爲3類：排版，繪製，UI對象操做。

排版一般包括計算視圖大小、計算文本高度、從新計算子式圖的排版等操做。

繪製通常有文本繪製 (例如 CoreText)、圖片繪製 (例如預先解壓)、元素繪製 (Quartz)等操做。

UI對象操做一般包括 UIView/CALayer 等 UI 對象的建立、設置屬性和銷燬。

其中前兩類操做能夠經過各類方法扔到後臺線程執行，而最後一類操做只能在主線程完成，而且有時後面的操做須要依賴前面操做的結果 （例如TextView建立時可能須要提早計算出文本的大小）。ASDK 所作的，就是儘可能將能放入後臺的任務放入後臺，不能的則儘可能推遲 (例如視圖的建立、屬性的調整)。

爲此，ASDK 建立了一個名爲 ASDisplayNode 的對象，並在內部封裝了 UIView/CALayer，它具備和 UIView/CALayer 類似的屬性，例如 frame、backgroundColor等。全部這些屬性均可以在後臺線程更改，開發者能夠只經過 Node 來操做其內部的 UIView/CALayer，這樣就能夠將排版和繪製放入了後臺線程。可是不管怎麼操做，這些屬性總須要在某個時刻同步到主線程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式，實現了一套相似的界面更新的機制：即在主線程的 RunLoop 中添加一個 Observer，監聽了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回調時，遍歷全部以前放入隊列的待處理的任務，而後一一執行。

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