RunLoop總結與面試

minjing_lin發表於2019-03-29
OOP面試

之前關於RunLoop只知道一點，最近花時間重新系統的學習了一下，以下是我的學習筆記及總結。有不足的部分，望大佬不吝賜教。

1.RunLoop 概念

計算機處理任務有程式和執行緒的概念，而在iOS中一個App只能開啟一個程式，但是執行緒可以開啟多個。一般來講，一個執行緒一次只能執行一個任務，執行完成後執行緒就會退出。

當我們需要一個常駐執行緒，可以讓執行緒在需要做事的時候忙起來，不需要的話就讓執行緒休眠，可以這樣做：

do {
   //獲取訊息
   //處理訊息
} while (訊息 ！= 退出)
複製程式碼

上面的這種迴圈模型被稱作 Event Loop。Event Loop 在很多系統和框架裡都有實現，如 Windows 程式的訊息迴圈、OSX/iOS 裡的 RunLoop。

所以，RunLoop 實際上就是一個物件，這個物件管理了其需要處理的事件和訊息，並提供了一個入口函式來執行上面 Event Loop 的邏輯。執行緒執行了這個函式後，就會一直處於這個函式內部 “接受訊息->等待->處理” 的迴圈中，直到這個迴圈結束（比如傳入 quit 的訊息），函式返回。

OSX/iOS 系統中，提供了兩個這樣的物件： NSRunLoop 和 CFRunLoopRef

螢幕快照 2019-03-28 下午4.11.13.png

  • CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內的，它提供了純 C 函式的 API，所有這些 API 都是執行緒安全的。
  • NSRunLoop 是基於 CFRunLoopRef 的封裝，提供了物件導向的 API，但是這些 API 不是執行緒安全的。

2.RunLoop基本作用

  • 1.使程式一直執行並接受使用者輸入 程式一啟動就會開一個主執行緒，主執行緒一開起來就會跑一個主執行緒對應的RunLoop，RunLoop保證主執行緒不會被銷燬，也就保證了程式的持續執行。
  • 2.決定程式在何時應該處理哪些Event 比如：觸控事件，定時器事件，Selector事件等
  • 3.節省CPU時間 程式執行起來時，什麼操作都沒有做的時候，RunLoop就告訴CPU，現在沒有事情做，我要去休息，這時CPU就會將其資源釋放出來去做其他的事情，當有事情做的時候RunLoop就會立馬起來去做事情

3.RunLoop與執行緒

蘋果不允許直接建立RunLoop，但是可以通過[NSRunLoop currentRunLoop]或者CFRunLoopGetCurrent()來獲取（如果沒有就會自動建立一個）。

// 拿到當前Runloop 呼叫_CFRunLoopGet0
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent(void) {
    CHECK_FOR_FORK();
    CFRunLoopRef rl = (CFRunLoopRef)_CFGetTSD(__CFTSDKeyRunLoop);
    if (rl) return rl;
    return _CFRunLoopGet0(pthread_self());
}

// 檢視_CFRunLoopGet0方法內部
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);
	// 根據傳入的主執行緒獲取主執行緒對應的RunLoop
	CFRunLoopRef mainLoop = __CFRunLoopCreate(pthread_main_thread_np());
	// 儲存主執行緒 將主執行緒-key和RunLoop-Value儲存到字典中
	CFDictionarySetValue(dict, pthreadPointer(pthread_main_thread_np()), mainLoop);
	if (!OSAtomicCompareAndSwapPtrBarrier(NULL, dict, (void * volatile *)&__CFRunLoops)) {
	    CFRelease(dict);
	}
	CFRelease(mainLoop);
        __CFLock(&loopsLock);
    }
    
    // 從字典裡面拿，將執行緒作為key從字典裡獲取一個loop
    CFRunLoopRef loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
    __CFUnlock(&loopsLock);
    
    // 如果loop為空，則建立一個新的loop，所以runloop會在第一次獲取的時候建立
    if (!loop) {  
	CFRunLoopRef newLoop = __CFRunLoopCreate(t);
        __CFLock(&loopsLock);
	loop = (CFRunLoopRef)CFDictionaryGetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t));
	
	// 建立好之後，以執行緒為key runloop為value，一對一儲存在字典中，下次獲取的時候，則直接返回字典內的runloop
	if (!loop) { 
	    CFDictionarySetValue(__CFRunLoops, pthreadPointer(t), newLoop);
	    loop = newLoop;
	}
        
        __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;
}
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從上面的程式碼可以看出: 執行緒和 RunLoop 之間是一一對應的，其關係是儲存在一個 Dictionary 裡。所以我們建立子執行緒RunLoop時，只需在子執行緒中獲取當前執行緒的RunLoop物件即可[NSRunLoop currentRunLoop];如果不獲取，那子執行緒就不會建立與之相關聯的RunLoop，並且只能在一個執行緒的內部獲取其 RunLoop [NSRunLoop currentRunLoop];方法呼叫時，會先看一下字典裡有沒有存子執行緒相對用的RunLoop，如果有則直接返回RunLoop，如果沒有則會建立一個，並將與之對應的子執行緒存入字典中。當執行緒結束時，RunLoop會被銷燬。

總結：

執行緒和 RunLoop 之間是一一對應的；其關係儲存在一個全域性的 Dictionary 裡，執行緒作為key,RunLoop作為value；執行緒建立之後是沒有RunLoop的（主執行緒除外）；RunLoop在第一次獲取時建立，線上程結束時銷燬。

4.RunLoop 主要組成

  • RunLoop 有5個類
  • CFRunLoopRef
  • CFRunLoopModeRef
  • CFRunLoopSourceRef
  • CFRunLoopTimerRef
  • CFRunLoopObserverRef

關係如下：

RunLoop 內部關係1

RunLoop 內部關係2

一個 RunLoop 包含若干個 Mode，每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次呼叫 RunLoop 的主函式時，只能指定其中一個 Mode，這個Mode被稱作 CurrentMode。如果需要切換 Mode，只能退出 RunLoop，再重新指定一個 Mode 進入。這樣做主要是為了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer，讓其互不影響。

4.1 CFRunLoopMode

CFRunLoopMode 結構大致如下：

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // mode名稱
    CFMutableSetRef _sources0;    // sources0
    CFMutableSetRef _sources1;    // sources1
    CFMutableArrayRef _observers; // 通知
    CFMutableArrayRef _timers;    // 定時器
    __CFPortSet _portSet;  // 儲存所有需要監聽的port，比如 _wakeUpPort，_timerPort都儲存在這個陣列中
};
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一個CFRunLoopMode物件有一個name，若干source0、source1、timer、observer和若干port，可見事件都是由Mode在管理，而RunLoop管理Mode。

特性

  • RunLoop在同一段時間只能且必須在一種特定Mode下Run
  • 更換Mode時，需要停止當前Loop，然後重啟新Loop
  • Mode是iOS App滑動順暢的關鍵

蘋果文件中提到的 Mode 有五個，分別是：

  • NSDefaultRunLoopMode：App的預設Mode，通常主執行緒是在這個Mode下執行；
  • NSConnectionReplyMode
  • NSModalPanelRunLoopMode
  • NSEventTrackingRunLoopMode
  • NSRunLoopCommonModes

iOS 中公開暴露出來的只有 NSDefaultRunLoopMode 和 NSRunLoopCommonModes。 NSRunLoopCommonModes 實際上是一個 Mode 的集合，預設包括 NSDefaultRunLoopMode 和 NSEventTrackingRunLoopMode（注意：並不是說Runloop會執行在kCFRunLoopCommonModes這種模式下，而是相當於分別註冊了 NSDefaultRunLoopMode和 UITrackingRunLoopMode。當然你也可以通過呼叫CFRunLoopAddCommonMode()方法將自定義Mode放到 kCFRunLoopCommonModes組合）。

4.2 CFRunLoopTimer

是基於時間的觸發器，基本上說的就是NSTimer，它受RunLoop的Mode影響（GCD的定時器不受RunLoop的Mode影響），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撥。如果執行緒阻塞或者不在這個Mode下，觸發點將不會執行，一直等到下一個週期時間點觸發。

特性：

  • CFRunLoopTimer 是定時器，可以在設定的時間點丟擲回撥
  • CFRunLoopTimer和NSTimer是toll-free bridged的，可以相互轉換

RunLoopTimer的封裝

+ (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;
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4.3 CFRunLoopSource

CFRunLoopSourceRef是事件源（輸入源），定義了兩個Version的Source:

  • Source0：處理App內部事件、App自己負責管理（觸發），如UIEvent、CFSocket。 source0是非基於Port的。只包含了一個回撥（函式指標），它並不能主動觸發事件。使用時，你需要先呼叫 CFRunLoopSourceSignal(source)，將這個 Source 標記為待處理，然後手動呼叫 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop，讓其處理這個事件。

  • Source1：由RunLoop和核心管理，Mach port驅動，如CFMachPort、CFMessagePort。 包含了一個 mach_port 和一個回撥（函式指標），被用於通過核心和其他執行緒相互傳送訊息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的執行緒。

4.4 CFRunLoopObserver

CFRunLoopObserverRef 是觀察者，每個 Observer 都包含了一個回撥（函式指標），當 RunLoop 的狀態發生變化時，觀察者就能通過回撥接受到這個變化。可以觀測的時間點有以下幾個：

enum CFRunLoopActivity {
    kCFRunLoopEntry             = (1 << 0),    // 即將進入Loop   
    kCFRunLoopBeforeTimers 		= (1 << 1),    // 即將處理 Timer    	
    kCFRunLoopBeforeSources		= (1 << 2),    // 即將處理 Source  
    kCFRunLoopBeforeWaiting		= (1 << 5),    // 即將進入休眠     
    kCFRunLoopAfterWaiting 		= (1 << 6),    // 剛從休眠中喚醒   
    kCFRunLoopExit              = (1 << 7),    // 即將退出Loop  
    kCFRunLoopAllActivities		= 0x0FFFFFFFU  // 包含上面所有狀態  
};
typedef enum CFRunLoopActivity CFRunLoopActivity;
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5.RunLoop 的內部邏輯

RunLoop 的內部邏輯

流程如下：

1.通知觀察者 RunLoop 啟動
之後呼叫內部函式，進入Loop，下面的流程都在Loop內部do-while函式中執行。 2.通知觀察者: RunLoop 即將觸發 Timer 回撥。（kCFRunLoopBeforeTimers） 3.通知觀察者: RunLoop 即將觸發 Source0 回撥
（kCFRunLoopBeforeSources） 4.RunLoop 觸發 Source0 回撥。 5.如果有 Source1 處於等待狀態，直接處理這個 Source1 然後跳轉到第9步處理訊息。 6.通知觀察者：RunLoop 的執行緒即將進入休眠(sleep)。（kCFRunLoopBeforeWaiting） 7.呼叫 mach_msg監聽喚醒埠 系統核心將這個執行緒掛起，停留在mach_msg_trap狀態，等待接受 mach_port 的訊息。執行緒將進入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒**

存在Source0被標記為待處理，系統呼叫CFRunLoopWakeUp喚醒執行緒處理事件 定時器時間到了 RunLoop自身的超時時間到了 RunLoop外部呼叫者喚醒

8.通知觀察者執行緒已經被喚醒
（kCFRunLoopAfterWaiting） 9.處理事件

如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回撥 如果有dispatch到main_queue的block，執行block 如果一個 Source1 發出事件了，處理這個事件 事件處理完成進行判斷： 進入loop時傳入引數指明處理完事件就返回（stopAfterHandle） 超出傳入引數標記的超時時間（timeout） 被外部呼叫者強制停止__CFRunLoopIsStopped(runloop) source/timer/observer 全都空了__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode) 上面4個條件都不滿足，即沒超時、mode裡沒空、loop也沒被停止，那繼續loop。此時跳轉到步驟2繼續迴圈。

10.系統通知觀察者: RunLoop 即將退出。 滿足步驟9事件處理完成判斷4條中的任何一條，跳出do-while函式的內部，通知觀察者Loop結束。

6.RunLoop 實際應用

6.1 AutoreleasePool

App啟動之後，蘋果在主執行緒 RunLoop 裡註冊了兩個 Observer，回撥都是_wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。 1. 第一個observer，監聽了一個事件：
即將進入Loop（kCFRunLoopEntry），其回撥會呼叫 _objc_autoreleasePoolPush()建立一個棧自動釋放池，這個優先順序最高，保證建立釋放池在其他操作之前。 2.第二個observer，監聽了兩個事件：
1).準備進入休眠（kCFRunLoopBeforeWaiting），此時呼叫 _objc_autoreleasePoolPop()和 _objc_autoreleasePoolPush()來釋放舊的池並建立新的池。 2). 即將退出Loop（kCFRunLoopExit），此時呼叫 _objc_autoreleasePoolPop()釋放自動釋放池。這個 observer 的優先順序最低，確保池子釋放在所有回撥之後。

在主執行緒中執行程式碼一般都是寫在事件回撥或Timer回撥中的，這些回撥都被加入了main thread的自動釋放池中，所以在ARC模式下我們不用關心物件什麼時候釋放，也不用去建立和管理pool。

6.2 事件響應

系統註冊了一個 Source1 用來接收系統事件，其回撥函式為 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。當一個硬體事件(觸控/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。

SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等)、觸控、加速，感測器等幾種事件

隨後用 mach port 轉發給需要的App程式。隨後系統註冊的那個 Source1 就會觸發回撥，並呼叫_UIApplicationHandleEventQueue()進行應用內部的分發。 _UIApplicationHandleEventQueue()會把 IOHIDEvent 事件處理幷包裝成 UIEvent 進行處理或分發，其中包括識別 UIGesture/處理螢幕旋轉/傳送給 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 點選、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在這個回撥中完成的。

6.3 定時器

1.NSTimer 的工作原理 這裡說的定時器就是NSTimer，我們使用頻率最高的定時器，它的原型是CFRunLoopTimerRef。一個Timer註冊 RunLoop 之後，RunLoop 會為這個Timer的重複時間點註冊好事件。

需要注意：

1.如果某個重複的時間點由於執行緒阻塞或者其他原因錯過了，例如執行了一個很長的任務，則那個時間點的回撥也會跳過去，不會延後執行。就比如等公交，如果 10:10 時我忙著玩手機錯過了那個點的公交，那我只能等 10:20 這一趟了。 2.我們在哪個執行緒呼叫 NSTimer 就必須在哪個執行緒終止。

Timer 有個屬性叫做 Tolerance (寬容度)，官方文件給它的解釋是 Timer 的計時並不是準確的，有一定的誤差。

2.NSTimer 優化使用 開發中常見的現象：在介面上有一個UIscrollview控制元件（tableview，collectionview等），如果此時還有一個定時器在執行一個事件，你會發現當你滾動scrollview的時候，定時器會失效。

這是因為，為了更好的使用者體驗，在主執行緒中UITrackingRunLoopMode的優先順序最高。在使用者拖動控制元件時，主執行緒的Run Loop是執行在UITrackingRunLoopMode下，而建立的Timer是預設關聯為Default Mode，因此係統不會立即執行Default Mode下接收的事件。

解決方法1： 將當前 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];  
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解決方法2： 用GCD定時器

	//dispatch_source_t必須是全域性或static變數，否則timer不會觸發
    static dispatch_source_t timer;
    //建立新的排程源（這裡傳入的是DISPATCH_SOURCE_TYPE_TIMER，建立的是Timer排程
    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]);
    });
    //啟動或繼續定時器
    dispatch_resume(timer);
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6.4 基於mode的擴充應用

使用者滑動 scrollView 的過程中載入圖片，由於UI的操作都是在主執行緒進行的，會造成滑動不流暢的問題，這個時候我們就需要在滑動的時候不載入圖片，等滑動操作完成再進行載入圖片的操作。

一般我們可以設定代理，當使用者滑動結束的時候通知代理載入圖片，這樣比較麻煩太low，基於RunLoop的原理我們只要一行程式碼即可搞定。

UIImage *downloadedImage = ...;
[self.avatarImageView performSelector:@selector(setImage:)
                               withObject:downloadedImage
                               afterDelay:0
                                  inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
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通過將圖片的設定 setImage: 新增到 DefaultMode 裡面，確保在 UITrackingRunLoopMode 下該操作不會被執行，保證了滑動的流暢性。

6.5 RunLoop與GCD關係

當呼叫了dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), <#^(void)block#>)時，libDispatch會向主執行緒RunLoop傳送訊息喚醒RunLoop，RunLoop從訊息中獲取block，並且在__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__回撥裡執行這個block。dispatch_after同理。如圖：

dispatch.png

7.相關面試題

1.談談runloop的理解；
2.runloop有哪些狀態；
3.RunLoop的作用是什麼？它的內部工作機制瞭解麼？（最好結合執行緒來說） 4.TableView/ScrollView/CollectionView滾動時為什麼NSTimer會停止？
5.RunLoop和執行緒有什麼關係？

求知四階段

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

參考文獻：

深入理解RunLoop
孫源@sunnyxx 視訊分享
iOS RunLoop詳解
RunLoop的前世今生
iOS底層原理總結 - RunLoop

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