RunLoop原理

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在知道Runloop之前

一般来说,一个线程只能执行一个任务,执行完就会退出。当我们需要让线程可以随时处理事件而不退出线程,我们就要使用Runloop
它内部是一个do while循环,不断地处理各种任务,保证线程能够的连续运行。

Runloop的目的

保证线程中有任务时可以执行线程工作。当线程中没有任务时,让线程休眠,提高程序性,节省资源。

Runloop的作用

简述详述
保持程序连续运行应用程序启动后,将启动主线程。当主线程启动时,会启动主线程对应该的runloopRunloop可以保证线程不会被破坏。如果主线程没有被销毁,程序将继续运行。
处理应用程序中的各种事件事件响应、手势识别、界面刷新、自动释放池、NSTimer等事件处理。
节省CPU资源,提高程序性当线程中有任务时,确保线程能够工作。当线程没有任务时,让线程休眠,提高程序性能,节省资源。该做事的时候做事,该休息的时候休息。

Runloop原理

名称类型所在框架原子性
NSRunloopNSObjectFundation线程不安全
CFRunloopstructCoreFundation线程安全

为了更好地理解Runloop,阅读源代码是一个不错的选择。老司机说有了源码,runloop就不会那么神秘了。首先,我们通常说runloop有两种。一个是NSRunloop,另一个是CFRunloop。那么让我先通过源码了解一下CFRunloop。首先,我们看一下基本的数据结构

1.CFRunloop的定义。

这里我注释了所有需要注意的参数

struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase           _base;
    pthread_mutex_t         _lock;      /* locked for accessing mode list */
    __CFPort                _wakeUpPort;    // used for CFRunLoopWakeUp 内核向该端口发送消息可以唤醒runloop
    Boolean                 _unused;
    volatile                _per_run_data *_perRunData; // reset for runs of the run loop
    pthread_t               _pthread;         //RunLoop对应的线程
    uint32_t                _winthread;
    CFMutableSetRef         _commonModes;     //存储的是字符串,记录所有标记为common的mode
    CFMutableSetRef         _commonModeItems; //存储所有commonMode的item(source、timer、observer)
    CFRunLoopModeRef        _currentMode;     //当前运行的mode
    CFMutableSetRef         _modes;           //存储的是CFRunLoopModeRef
    struct _block_item     *_blocks_head;     //doblocks的时候用到
    struct _block_item     *_blocks_tail;
    CFTypeRef             _counterpart;
};

可以看出CFRunloop是一个有很多属性的结构体。
看一下这个结构中我们需要注意的参数。每个runloop都有自己的mode,并且有不止一种mode,mode存放着runloop要处理的事件源。事件源有3种,sourcetimerobserver
Runloop有很多模式,但是在某个时间只能有一种特定的模式,即_currentMode。下面第二项描述的是runloop的模式,它与runloop结构体(mode)相关参数中的几个模式有关:

名称模式
_currentMode当前的runloop模式
_modes当前运行中的所有模式

另外,runloop 中的一种模式是 NSRunloop 常用模式。这种模式没有意义。它只是标记模式的集合;

名称模式
_commonModes指在NSRunloopCommonmodes 模式下保存的模式。我们还可以在这个集合中添加自定义模式
_commonModeItems表示添加到NSRunloopCommonmodes的源/定时器;

2.CFRunloop的源代码。

struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase           _base;
    pthread_mutex_t         _lock;    /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef             _name;   //mode名称
    Boolean                 _stopped;    //mode是否被终止
    char                    _padding[3];
    // ------------->
    //几种事件
    CFMutableSetRef         _sources0;  //sources0
    CFMutableSetRef         _sources1;  //sources1
    CFMutableArrayRef       _observers; //通知
    CFMutableArrayRef       _timers;    //定时器
    CFMutableDictionaryRef  _portToV1SourceMap; //字典  key是mach_port_t,value是CFRunLoopSourceRef
    // <-------------
    __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
    CFIndex                 _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    dispatch_source_t _timerSource;
    dispatch_queue_t _queue;
    Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
    Boolean _dispatchTimerArmed;
#endif
#if USE_MK_TIMER_TOO
    mach_port_t _timerPort;
    Boolean _mkTimerArmed;
#endif
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
    DWORD _msgQMask;
    void (*_msgPump)(void);
#endif
    uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
    uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
};

其实CFRunloop相关的几个定义都是结构体,CFRunloopMode也是结构体。看代码了解CFRunloopMode的几个相关参数,主要是上面标注的四个参数

如上所述,runloop 用于处理事件。它主要处理三种类型的事件:源source定时器timer观察者observer。那么source也可以分为source0source1两种。CFRunloopMode的定义中有四个集合,分别代表存储这四个事件源的集合,如上所述。

runloop 中的模式主要有以下几种:

名称描述
KCFRunloopDefaultModeapp的默认模式。通常,主线程以这种模式运行。
UitrackingRunloopMode界面跟踪模式,用于Scrollview跟踪触摸滑动,保证界面滑动不受其他模式影响。
KCFRunloopCommonMode这是一个占位符模式。它用作标记 KCFRunloopDefaultModeUITrackingRunnoopMode。这不是真正的模式。
UiinitializationRunloopModeapp刚启动时进入的第一个模式。启动后将不再使用。
CSeventreceiveRunloopMode接受系统事件的内部模式。通常不使用

runloop启动时,只能选择一种模式作为currentmode。如果需要切换模式,只能退出当前模式,重新选择一个模式进入。

这里基于上面对CFRunloopCRFunloopMode的理解,RunloopMode保存在runloop中,实际执行的任务保存在RunloopMode中。

3.RunloopMode

RunloopMode 存储了runloop要处理的事件源。事件源有3种:Southtimerobserver

名称描述
South事件源
timer定时器
observer监听者

1) CFRunloopSourceRefSouth 事件的来源。看看它的定义。

struct __CFRunLoopSource {
    CFRuntimeBase           _base;
    uint32_t                _bits; // 用于标记Signaled状态,source0只有在被标记为Signaled状态,才会被处理
    pthread_mutex_t         _lock;
    CFIndex                 _order; // immutable
    CFMutableBagRef         _runLoops;
    union {
        CFRunLoopSourceContext version0; // immutable, except invalidation
        CFRunLoopSourceContext1 version1; // immutable, except invalidation
    } _context;
};

CFRunloopSourceRef 是runloop要处理的事件源之一。Version0Version1source0source1 根据不同事件的处理来区分的。

2)CFRunLoopTimerRefrunloop的相关定时器事件和定时器,定时执行一个任务,也在runloop中处理。

struct __CFRunLoopTimer {
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;  //标记fire状态
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;        //添加该timer的runloop
    CFMutableSetRef _rlModes;     //存放所有 包含该timer的 mode的 modeName,意味着一个timer可能会在多个mode中存在
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;      //理想时间间隔    /* immutable */
    CFTimeInterval _tolerance;    //时间偏差      /* mutable */
    uint64_t _fireTSR;            /* TSR units */
    CFIndex _order;            /* immutable */
    CFRunLoopTimerCallBack _callout;    /* immutable */
    CFRunLoopTimerContext _context;    /* immutable, except invalidation */
};

3)CFRunLoopObserverRefCFRunloopObserverRef 是runloop的监听器,可以监听runloop的状态变化。

struct __CFRunLoopObserver {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFIndex _rlCount;
    CFOptionFlags _activities;        /* immutable */
    CFIndex _order;            /* immutable */
    CFRunLoopObserverCallBack _callout;    /* immutable */
    CFRunLoopObserverContext _context;    /* immutable, except invalidation */
};

Runloop在运行时有以下状态:

2021-12-18-23-10-13-um023pe5jz2.jpg
【面试点】
您可以将观察结果添加到runloop中。通过监控runloop的状态来判断是否卡顿。创建observer观察者,将创建的observer加入到主线程runloop的普通模式中,并创建一个连续的子线程来监控主线程的runloop状态。一旦发现睡眠前的kCFRonloopBeforeSource状态或者唤醒后的kCFRonloopFafterWaiting状态,在设定的时间阈值内没有变化,就可以判断为卡住了,转储堆栈的信息,从而进一步分析哪个方法有执行时间长。
以上为runloop的基本数据结构分析。

4、Runloop是如何运行的?

首先,如何创建一个runloop?其实runloop不需要手动创建。任何 runloop 都与一个线程相关联。先有线程,后有runloop。Apple 提供了两个 API。让我们获取runloop、CFRunloopGetMain()CFRunloopGetCurrent()。这两个方法分别获取当前线程的mainrunlooprunloop

2021-12-18-23-10-14-xoqwc1ettqt.jpg

从上面两个函数可以看出,runloop是通过_CFRunloopGet0(),它以线程为参数,与通过key从NSDictionary中获取值非常相似。接下来看看_CRFunloopGet0()的实现。

获取线程的runloop。首先,以线程为key,从全局字典中查找。如果没有找到,就新建一个,以threadkeyrunloopvalue保存到全局字典中(如果全局字典不存在,先初始化全局字典,并创建MainRunloop保存到全局字典中)。以下是源代码,我添加了注释。

2021-12-18-23-10-15-iubvekj4gk0.jpg

以上就是获取当前runloop的原理,以及任务在runloop内部是如何执行的。这是一个图表。

2021-12-18-23-10-17-f5gashuymkx.jpg

CFRunlooprunCFRunloopRuninMode 都在内部调用 CFRunloopRunspecificCFRunloopRunspecific内部调用__CFRunloopRunCFRunloopRunspecific__CFRunloopRun一起就是runloop的完整实现。看看下面的伪代码解释,就是runloop的内部逻辑:

2021-12-18-23-10-17-x041yryodrk.jpg

Runloop和线程的关系

  1. Runloop 存储在一个全局字典中。线程作为key,runloop作为Value。
  2. 第一次创建线程时,没有runloop对象。Runloop 将在第一次获取时创建。
  3. Runloop 在线程结束时会被销毁。
  4. 主线程的runloop已经自动获取(创建),子线程默认不开启runloop。
  5. 每个线程都有一个唯一的runloop对象与之对应。
  6. 先有线程,后有runloop。

在日常开发中如何使用Runloop

1.控制线程生命周期(线程保持活动,线程永远保持)。原理:如果模式中没有soure0/source1/timer/observer,runloop会立即退出。因此,为了不让它退出,可以在runloop中添加一个soure1。这是af2中使用的原理。
下面AFNetworking的一个例子:
2021-12-18-23-10-19-dffmxjxsnta.jpg

  1. UITableView 延迟加载图片。将SETIMAGE置于NSDefaultRunloopMode中,即滑动时不会调用分配图片的方法,但滑动后切换到NSDefaultRunloopMode才会调用。

[self.img performSelector:@selector(setImage:) withObject:image afterDelay:0inModes:[NSDefaultRunLoopMode]];

3.解决了滑动时NSTimer停止工作的问题(将timer添加到NSRunLoopCommonModes模式)。

NSTimer * timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 target:self selector:@selector(timerEvent) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

默认情况下,计时器处于 NSDefaultRunloop 模式。当我们滑动页面的时候,runloop会切换到UITracking runloopmode,所以我们的定时器会停止工作。就像商场里的倒计时一样,当我们滑动页面时,倒计时就会停止。为了解决这个问题,我们需要让定时器工作在UITracking runloopmode,和NSRunloopCommonModes,这个模式相当于NSDefaultRunloopModeUITrackingRunloopMode的组合。因此,为定时器指定NSRunnoopcommonModes模式,使定时器可以在NSDefaultRunloopModeUITrackingRunnloopMode两种模式下运行。

  1. 另外,可以通过监控runloop的状态来处理卡顿问题。

runloop的进入sleep前和唤醒后的两个loop状态定义的值分别是kCFRenloopbeforesourceskCFRenloopafterwaiting,即触发source0回调接收mach_port消息有两种状态。创建observer观察者,将创建的observer加入到主线程runloop的普通模式中,并创建一个连续的子线程来监控主线程的runloop状态。一旦发现睡眠前的kCFRonloopBeforeSource状态或者唤醒后的kCFRonloopFafterwaiting状态,在设定的时间阈值内没有变化,就可以判断为卡住了,转储堆栈的信息,从而进一步分析哪个方法有执行时间长。

以上是开发中常用的runloop相关应用。

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