iOS開發 自動釋放池(Autorelease Pool)和RunLoop

GabrielPanda發表於2018-01-25

自動釋放池(Autorelease Pool)

先看一個例子:

#import "SecViewController.h"
__weak NSString *stringA = nil;
__weak NSString *stringB = nil;
__weak NSString *stringC = nil;

@implementation SecViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    self.view.backgroundColor = [UIColor redColor];
    
    NSString *strA = [NSString stringWithFormat:@"biubiu李2017_A"];
    stringA = strA;
    
    @autoreleasepool
    {
        NSString *strB = [NSString stringWithFormat:@"biubiu李2017_B"];
        stringB = strB;
    }
    
    NSString *strC= nil;
    
    @autoreleasepool
    {
        strC = [NSString stringWithFormat:@"biubiu李2017_C"];
        stringC = strC;
    }
    
    NSLog(@"viewDidLoad");
    [self showStrings];
}

-(void)viewWillAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewWillAppear:animated];
     NSLog(@"viewWillAppear");
     [self showStrings];
}

-(void)viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    [super viewDidAppear:animated];
    NSLog(@"viewDidAppear");
    [self showStrings];
}

-(void)showStrings
{
    NSLog(@"stringA: %@", stringA);
    NSLog(@"stringB: %@", stringB);
    NSLog(@"stringC: %@", stringC);
    NSLog(@"\n");
}

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這段程式會輸出什麼呢?

程式輸出.png

分析: 我們通過 [NSString stringWithFormat:@"biubiu李2017_C"] 建立了一個 autoreleased 物件。為了能夠在 viewWillAppear 和 viewDidAppear 中繼續訪問這個物件,使用了一個全域性的 __weak 變數來指向它。因為 __weak 變數有一個特性就是它不會影響所指向物件的生命週期,正是利用了這個特性。

對於stringA

對於stringB 當通過 [NSString stringWithFormat:@"biubiu李2017_C"] 建立一個物件時,這個物件的引用計數為 1 。而當使用區域性變數 strB 指向這個物件時,這個物件的引用計數 +1 ,變成了 2 。而出了當前作用域時,區域性變數 strB 變成了 nil ,所以其所指向物件的引用計數變成 1 。當出了 @autoreleasepool {} 的作用域時,當前 autoreleasepool 被 drain ,其中的 autoreleased 物件被 release 。所以這個物件的引用計數變成了 0 ,物件最終被釋放。

可以通過使用 lldb 的 watchpoint 命令來設定觀察點,觀察全域性變數 stringB 的值的變化,stringB 變數儲存的就是我們建立的 autoreleased 物件的地址。

//在 console 中看到類似的輸出,說明我們已經成功地設定了一個觀察點stringB
(lldb) watchpoint set variable stringB
Watchpoint created: Watchpoint 1: addr = 0x10255d228 size = 8 state = enabled type = w
    declare @ '/Users/biubiu03/test/biubiuTest/SecViewController.m:12'
    watchpoint spec = 'stringB'
    new value: 0x0000000000000000
(lldb) 
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設定好觀察點後,點選 Continue program execution 按鈕,繼續執行程式

(lldb) watchpoint set variable stringB
Watchpoint created: Watchpoint 1: addr = 0x10255d228 size = 8 state = enabled type = w
    declare @ '/Users/biubiu/1_Code/test/biubiuTest/SecViewController.m:12'
    watchpoint spec = 'stringB'
    new value: 0x0000000000000000

Watchpoint 1 hit:
old value: 0x0000000000000000
new value: 0x00000001c04654c0
2017-10-30 16:45:19.766498+0800 biubiuTest[2606:622193] XPC connection interrupted

Watchpoint 1 hit:
old value: 0x00000001c04654c0
new value: 0x0000000000000000
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AutoreleasePoolPage pop.png
看左側的執行緒堆疊。AutoreleasePoolPage::pop(void *) 函式來負責對 autoreleasepool 中的 autoreleased 物件執行 release 操作。

對於stringC 當出了 @autoreleasepool {} 的作用域時,其中的 autoreleased 物件被 release ,物件的引用計數變成 1 。當出了區域性變數 strC 的作用域,即 viewDidLoad 方法返回時,strC 指向了 nil ,其所指向物件的引用計數變成 0 ,物件最終被釋放。

AutoreleasePoolPage

Autoreleasepool 是沒有單獨的記憶體結構的,它是通過以 AutoreleasePoolPage 為結點的雙向連結串列來實現的。開啟 runtime 的原始碼工程,在 NSObject.mm 檔案可以找到 autoreleasepool 的實現原始碼。

1.每一個執行緒的 autoreleasepool 其實就是一個指標的堆疊; 2.每一個指標代表一個需要 release 的物件或者 POOL_SENTINEL(哨兵物件,代表一個 autoreleasepool 的邊界); 3.一個 pool token 就是這個 pool 所對應的 POOL_SENTINEL 的記憶體地址。當這個 pool 被 pop 的時候,所有記憶體地址在 pool token 之後的物件都會被 release ; 4.這個堆疊被劃分成了一個以 page 為結點的雙向連結串列。pages 會在必要的時候動態地增加或刪除; 5.Thread-local storage(執行緒區域性儲存)指向 hot page ,即最新新增的 autoreleased 物件所在的那個 page 。 總結一下:

4K每頁的自動釋放池頁面,
頁面與頁面之間雙向連結串列連結,
以棧形式使用,
頁面惰性建立,
每個執行緒都有自己的自動釋放池,
大部分時間使用池頂(hotPage)。
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page結構.png

1.magic 用來校驗 AutoreleasePoolPage 的結構是否完整; 2.next 指向最新新增的 autoreleased 物件的下一個位置,初始化時指向 begin() ; 3.thread 指向當前執行緒; 4.parent 指向父結點,第一個結點的 parent 值為 nil ; 5.child 指向子結點,最後一個結點的 child 值為 nil ; 6.depth 代表深度,從 0 開始,往後遞增 1; 7.hiwat 代表 high water mark 。 8.另外,當 next == begin() 時,表示 AutoreleasePoolPage 為空;當 next == end() 時,表示 AutoreleasePoolPage 已滿。

RunLoop

RunLoop概念

當APP啟動後,系統會自動建立一個執行緒來執行任務,該執行緒被稱為主執行緒或者UI執行緒。在主執行緒建立的時候,系統還會為主執行緒建立並啟動一種機制(其實就是一個物件,該物件和應用的生命週期有關),叫做RunLoop,被稱為執行迴圈機制。 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。如果我們需要一個機制,讓執行緒能__隨時處理事件__但並不退出,通常的程式碼邏輯是這樣的:

function loop() 
{
    initialize();

    do {
        var message = get_next_message();
        process_message(message);

    } while (message != quit);
}
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這種模型通常被稱作 Event Loop。 Event Loop 在很多系統和框架裡都有實現,比如 Node.js 的事件處理,比如 Windows 程式的訊息迴圈,再比如 OSX/iOS 裡的 RunLoop。 實現這種模型的關鍵點在於: 如何管理事件/訊息,如何讓執行緒在沒有處理訊息時休眠以避免資源佔用、在有訊息到來時立刻被喚醒。

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。

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。

CFRunLoopRef程式碼  整個 CoreFoundation 的原始碼下載地址  為了方便跟蹤和檢視,可以新建一個 Xcode 工程,把這堆原始碼拖進去看。

RunLoop 與執行緒的關係

iOS 開發中能遇到兩個執行緒物件: pthread_t 和 NSThread。過去蘋果有份文件標明瞭 NSThread 只是 pthread_t 的封裝,但那份文件已經失效了,現在它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread。蘋果並沒有提供這兩個物件相互轉換的介面,但不管怎麼樣,可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應的。比如,你可以通過 pthread_main_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主執行緒;也可以通過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當前執行緒。 CFRunLoop 是基於 pthread 來管理的。 蘋果不允許直接建立 RunLoop,它只提供了兩個自動獲取的函式:CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函式內部的邏輯大概是下面這樣:

//全域性的字典,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);//上鎖
     
    if (!loopsDic) 
{
        // 第一次進入時,初始化全域性Dic,並先為主執行緒建立一個 RunLoop。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
     
    /// 直接從 loopsDic 裡獲取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
     
    if (!loop) 
{
        // 取不到時,建立一個
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);

        // 註冊一個回撥,當執行緒銷燬時,順便也銷燬其對應的 RunLoop。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
     
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);//開鎖
    return loop;
}
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//獲取MainRunLoop
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() 
{
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
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//獲取當前RunLoop
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent()
 {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}
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RunLoop 對外的介面

在 CoreFoundation 裡面關於 RunLoop 有5個類:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef
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其中 CFRunLoopModeRef 類並沒有對外暴露,只是通過 CFRunLoopRef 的介面進行了封裝。關係如下:

runloop對外介面.png
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 Loop,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。

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 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,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,可以混用。其包含一個時間長度和一個回撥(函式指標)。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。

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:

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
};
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上面的 Source/Timer/Observer 被統稱為 mode item,一個 item 可以被同時加入多個 mode。但一個 item 被重複加入同一個 mode 時是不會有效果的。如果一個 mode 中一個 item 都沒有,則 RunLoop 會直接退出,不進入迴圈。

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結構大致如下:

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
    ...
};
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這裡有個概念叫 "CommonModes":一個 Mode 可以將自己標記為"Common"屬性(通過將其 ModeName 新增到 RunLoop 的 "commonModes" 中)。每當 RunLoop 的內容發生變化時,RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 裡的 Source/Observer/Timer 同步到具有 "Common" 標記的所有Mode裡。

應用場景舉例:主執行緒的 RunLoop 裡有兩個預置的 Mode:kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。這兩個 Mode 都已經被標記為"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 會得到重複回撥,但此時滑動一個TableView時,RunLoop 會將 mode 切換為 TrackingRunLoopMode,這時 Timer 就不會被回撥,並且也不會影響到滑動操作。

有時你需要一個 Timer,在兩個 Mode 中都能得到回撥,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 自動更新到所有具有"Common"屬性的 Mode 裡去。

CFRunLoop對外暴露的管理 Mode 介面只有下面2個:

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);
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Mode 暴露的管理 mode item 的介面有下面幾個:

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);
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你只能通過 mode name 來操作內部的 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 來說,其內部的 mode 只能增加不能刪除。

蘋果公開提供的 Mode 有兩個:kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode,你可以用這兩個 Mode Name 來操作其對應的 Mode。

同時蘋果還提供了一個操作 Common 標記的字串:kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes),你可以用這個字串來操作 Common Items,或標記一個 Mode 為 "Common"。使用時注意區分這個字串和其他 mode name。

RunLoop 的內部邏輯 根據蘋果在文件裡的說明,RunLoop 內部的邏輯大致如下:

Runloop內部邏輯.png

RunLoop 的內部程式碼實現

// 用DefaultMode啟動
void CFRunLoopRun(void) 
{
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
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// 用指定的Mode啟動,允許設定RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle)
 {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
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///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);

    //如果mode裡沒有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);
     
    // 內部函式,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 回撥。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);

            // 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回撥。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            ///執行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
             
            // 4. RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回撥。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            // 執行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
  
            // 5. 如果有 Source1 (基於port) 處於 ready 狀態,直接處理這個 Source1 然後跳轉去處理訊息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) 
        {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }
             
            // 通知 Observers: RunLoop 的執行緒即將進入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) 
{
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
             
            // 7. 呼叫 mach_msg 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。
            // 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
            // 被其他什麼呼叫者手動喚醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }
  
            // 8. 通知 Observers: RunLoop 的執行緒剛剛被喚醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
             
            // 收到訊息,處理訊息。
            handle_msg:
  
            // 9.1 如果一個 Timer 到時間了,觸發這個Timer的回撥。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } 
  
            // 9.2 如果有dispatch到main_queue的block,執行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } 
  
            /// 9.3 如果一個 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時引數說處理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                // 超出傳入引數標記的超時時間了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                // 被外部呼叫者強制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                // source/timer/observer一個都沒有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
             
            // 如果沒超時,mode裡沒空,loop也沒被停止,那繼續loop。
        } while (retVal == 0);
    }
     
    // 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

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可以看到,實際上 RunLoop 就是這樣一個函式,其內部是一個 do-while 迴圈。當你呼叫 CFRunLoopRun() 時,執行緒就會一直停留在這個迴圈裡;直到超時或被手動停止,該函式才會返回。

RunLoop 的底層實現

RunLoop 的核心是基於 mach port 的,其進入休眠時呼叫的函式是 mach_msg()。為了解釋這個邏輯,下面稍微介紹一下 OSX/iOS 的系統架構。

OSX:iOS 的系統架構.png

蘋果官方將整個系統大致劃分為上述4個層次:

1.應用層包括使用者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.核心框架層包括各種核心框架、OpenGL 等內容。

4.Darwin 即作業系統的核心,包括系統核心、驅動、Shell 等內容, 這一層是開源的,其所有原始碼都可以在 蘋果opensource 裡找到。

看一下 Darwin 這個核心的架構

Darwin 核心架構.png

在硬體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 核心。

XNU 核心的內環被稱作 Mach,其作為一個微核心,僅提供了諸如處理器排程、IPC (程式間通訊)等非常少量的基礎服務。

BSD 層可以看作圍繞 Mach 層的一個外環,其提供了諸如程式管理、檔案系統和網路等功能。

IOKit 層是為裝置驅動提供了一個物件導向(C++)的一個框架。

Mach 本身提供的 API 非常有限,而且蘋果也不鼓勵使用 Mach 的 API,但是這些API非常基礎,如果沒有這些API的話,其他任何工作都無法實施。在 Mach 中,所有的東西都是通過自己的物件實現的,程式、執行緒和虛擬記憶體都被稱為"物件"。和其他架構不同, Mach 的物件間不能直接呼叫,只能通過訊息傳遞的方式實現物件間的通訊。"訊息"是 Mach 中最基礎的概念,訊息在兩個埠 (port) 之間傳遞,這就是 Mach 的 IPC (程式間通訊) 的核心。

Mach 的訊息定義是在標頭檔案的,很簡單:

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;
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一條 Mach 訊息實際上就是一個二進位制資料包 (BLOB),其頭部定義了當前埠 local_port 和目標埠 remote_port,

傳送和接受訊息是通過同一個 API 進行的,其 option 標記了訊息傳遞的方向:

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);
複製程式碼

為了實現訊息的傳送和接收,mach_msg() 函式實際上是呼叫了一個 Mach 陷阱 (trap),即函式mach_msg_trap(),陷阱這個概念在 Mach 中等同於系統呼叫。當你在使用者態呼叫 mach_msg_trap() 時會觸發陷阱機制,切換到核心態;核心態中核心實現的 mach_msg() 函式會完成實際的工作,如下圖:

Mach 陷阱 (trap).png

這些概念可以參考維基百科: System_callTrap_(computing)。 RunLoop 的核心就是一個 mach_msg() (見上面程式碼的第7步),RunLoop 呼叫這個函式去接收訊息,如果沒有別人傳送 port 訊息過來,核心會將執行緒置於等待狀態。 例如你在模擬器裡跑起一個 iOS 的 App,然後在 App 靜止時點選暫停,你會看到主執行緒呼叫棧是停留在 mach_msg_trap() 這個地方。 關於具體的如何利用 mach port 傳送資訊,可以看看  NSHipster 這一篇文章,或者這裡的中文翻譯 。 關於Mach的歷史可以看看這篇很有趣的文章:Mac OS X 背後的故事( 三)Mach 之父 Avie Tevanian

蘋果用 RunLoop 實現的功能

首先我們可以看一下 App 啟動後 RunLoop 的狀態:

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),
        }
    }
}
複製程式碼

可以看到,系統預設註冊了5個Mode:

  1. kCFRunLoopDefaultMode: App的預設 Mode,通常主執行緒是在這個 Mode 下執行的。
  2. UITrackingRunLoopMode: 介面跟蹤 Mode,用於 ScrollView 追蹤觸控滑動,保證介面滑動時不受其他 Mode 影響。
  3. UIInitializationRunLoopMode: 在剛啟動 App 時第進入的第一個 Mode,啟動完成後就不再使用。
  4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統事件的內部 Mode,通常用不到。
  5. kCFRunLoopCommonModes: 這是一個佔位的 Mode,沒有實際作用。

你可以在CFRunLoop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 進行回撥時,一般都是通過一個很長的函式呼叫出去 (call out), 當你在你的程式碼中下斷點除錯時,通常能在呼叫棧上看到這些函式。下面是這幾個函式的整理版本,如果你在呼叫棧中看到這些長函式名,在這裡查詢一下就能定位到具體的呼叫地點了:

{
    /// 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 回撥。
        __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) 回撥。
        __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) 回撥。
        __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,執行緒被喚醒
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);
  
        /// 9. 如果是被Timer喚醒的,回撥Timer
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);
  
        /// 9. 如果是被dispatch喚醒的,執行所有呼叫 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);
  
        /// 9. 如果如果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);
}
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AutoreleasePool

App啟動後,蘋果在主執行緒 RunLoop 裡註冊了兩個 Observer,其回撥都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一個 Observer 監視的事件是 Entry(即將進入Loop),其回撥內會呼叫 _objc_autoreleasePoolPush() 建立自動釋放池。其 order 是-2147483647,優先順序最高,保證建立釋放池發生在其他所有回撥之前。

第二個 Observer 監視了兩個事件: BeforeWaiting(準備進入休眠) 時呼叫_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並建立新池;Exit(即將退出Loop) 時呼叫 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647,優先順序最低,保證其釋放池子發生在其他所有回撥之後。

在主執行緒執行的程式碼,通常是寫在諸如事件回撥、Timer回撥內的。這些回撥會被 RunLoop 建立好的 AutoreleasePool 環繞著,所以不會出現記憶體洩漏,開發者也不必顯示建立 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。這個過程的詳細情況可以參考這裡。SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等),觸控,加速,接近感測器等幾種 Event,隨後用 mach port 轉發給需要的App程式。隨後蘋果註冊的那個 Source1 就會觸發回撥,並呼叫 _UIApplicationHandleEventQueue() 進行應用內部的分發。 _UIApplicationHandleEventQueue() 會把 IOHIDEvent 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。

手勢識別

當上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 識別了一個手勢時,其首先會呼叫 Cancel 將當前的 touchesBegin/Move/End 系列回撥打斷。隨後系統將對應的 UIGestureRecognizer 標記為待處理。

蘋果註冊了一個 Observer 監測 BeforeWaiting (Loop即將進入休眠) 事件,這個Observer的回撥函式是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver(),其內部會獲取所有剛被標記為待處理的 GestureRecognizer,並執行GestureRecognizer的回撥。

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

介面更新

當在操作 UI 時,比如改變了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的層次時,或者手動呼叫了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法後,這個 UIView/CALayer 就被標記為待處理,並被提交到一個全域性的容器去。

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,回撥去執行一個很長的函式:

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。這個函式裡會遍歷所有待處理的 UIView/CAlayer 以執行實際的繪製和調整,並更新 UI 介面。

這個函式內部的呼叫棧大概是這樣的

_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];
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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 會為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為了節省資源,並不會在非常準確的時間點回撥這個Timer。Timer 有個屬性叫做 Tolerance (寬容度),標示了當時間點到後,容許有多少最大誤差。

如果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。

CADisplayLink 是一個和螢幕重新整理率一致的定時器(但實際實現原理更復雜,和 NSTimer 並不一樣,其內部實際是操作了一個 Source)。如果在兩次螢幕重新整理之間執行了一個長任務,那其中就會有一幀被跳過去(和 NSTimer 相似),造成介面卡頓的感覺。在快速滑動TableView時,即使一幀的卡頓也會讓使用者有所察覺。Facebook 開源的 AsyncDisplayLink 就是為了解決介面卡頓的問題,其內部也用到了 RunLoop。

PerformSelecter

當呼叫 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 後,實際上其內部會建立一個 Timer 並新增到當前執行緒的 RunLoop 中。所以如果當前執行緒沒有 RunLoop,則這個方法會失效。

當呼叫 performSelector:onThread: 時,實際上其會建立一個 Timer 加到對應的執行緒去,同樣的,如果對應執行緒沒有 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,比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 實現的 Timer。但同時 GCD 提供的某些介面也用到了 RunLoop, 例如 dispatch_async()。

當呼叫 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 時,libDispatch 會向主執行緒的 RunLoop 傳送訊息,RunLoop會被喚醒,並從訊息中取得這個 block,並在回撥 CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE() 裡執行這個 block。但這個邏輯僅限於 dispatch 到主執行緒,dispatch 到其他執行緒仍然是由 libDispatch 處理的。

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