深刻理解RunLoop（一）

RunLoop 是 iOS 和 OSX 開發中很是基礎的一個概念，這篇文章將從 CFRunLoop 的源碼入手，介紹 RunLoop 的概念以及底層實現原理。以後會介紹一下在 iOS 中，蘋果是如何利用 RunLoop 實現自動釋放池、延遲迴調、觸摸事件、屏幕刷新等功能的。

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：

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:

/// 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:

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：

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：

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef _sources0;    // Set<CFRunLoopSourceRef>
    CFMutableSetRef _sources1;    // Set<CFRunLoopSourceRef>
    CFMutableArrayRef _observers; // Array<CFRunLoopObserverRef>
    CFMutableArrayRef _timers;    // Array<CFRunLoopTimerRef>
    ...
};
 
struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set<CFStringRef>
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set<CFRunLoopModeRef>
    ...
};

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:

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

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面幾個：

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:

未完待續。。。