关于RunLoop

木木木大约 9 分钟iOS底层原理

关于RunLoop

RunLoop 是 iOS 和 macOS 中非常重要的概念之一，它是一个事件循环机制，能够管理事件和计时器，也可以用于处理输入源和输出源。

RunLoop 是一个事件循环机制，用于在应用程序中处理事件和计时器。RunLoop 为应用程序提供了一种机制，以等待输入源和输出源，同时避免 CPU 的空转。
RunLoop 是一种基于消息循环的机制。当一个事件发生时，RunLoop 将该事件添加到消息队列中，然后开始处理该消息队列中的事件。这个过程会一直持续下去，直到没有事件需要处理为止。

实现机制

RunLoop 是一个由内核层和用户层共同实现的事件循环机制。在内核层，RunLoop 使用了系统调用 select 和 kevent，用于监听输入源事件和计时器事件。在用户层，RunLoop 主要使用了三个数据结构：CFRunLoop、CFRunLoopMode 和 CFRunLoopSource。

内核层

在内核层，RunLoop 主要使用了两个系统调用：select 和 kevent。

select

select 是一个阻塞式的系统调用，它能够监听文件描述符（文件、标准输入、套接字等）的变化，并在事件发生时通知程序。在 iOS 和 macOS 中，RunLoop 将输入源封装成了文件描述符，因此可以使用 select 监听输入源事件。

select 的参数包括三个文件描述符集：读集合、写集合和异常集合。当监听到读集合中有文件描述符变为可读时，select 将返回一个大于 0 的整数，表示该文件描述符已准备好读取数据。当监听到写集合中有文件描述符变为可写时，select 将返回一个大于 0 的整数，表示该文件描述符已准备好写入数据。当监听到异常集合中有文件描述符出现异常时，select 将返回一个大于 0 的整数，表示该文件描述符发生了异常。

当 select 返回时，程序需要使用循环来检查每个文件描述符是否发生了事件。如果没有发生事件，则继续调用 select 监听事件。如果发生了事件，则程序需要处理该事件，并继续监听下一个事件。

kevent

kevent 是一个更加高效的系统调用，它可以同时监听多种类型的事件。kevent 接收一个 kevent 结构体数组作为参数，用于描述需要监听的事件。每个 kevent 结构体包含以下信息：

  • ident：文件描述符、套接字等标识符。
  • filter：事件类型，例如读事件、写事件等。
  • flags：事件标志，例如边沿触发、水平触发等。
  • fflags：过滤器标志，例如是否处于带外数据模式等。
  • data：事件相关的数据，例如可读数据的长度。
  • udata：用户数据。 当监听到事件后，kevent 将调用相应的回调函数来处理事件。与 select 不同，kevent 不需要循环检查文件描述符是否发生事件，因此可以减少 CPU 占用率。

用户层

在用户层，RunLoop 主要使用了三个数据结构：CFRunLoop、CFRunLoopMode 和 CFRunLoopSource。

CFRunLoop

CFRunLoop 是 Core Foundation 框架中的一个数据类型，用于实现 RunLoop。CFRunLoop 与线程一一对应，每个线程都有一个与之关联的 CFRunLoop 对象。

CFRunLoop 包含一个 currentMode 成员变量，用于指定当前的运行模式。当向 CFRunLoop 中添加事件源时，RunLoop 会在相应的 CFRunLoopMode 中查找该事件源所属的 inputSources 或者 timerSources 集合，并将其加入到该集合中。RunLoop 在事件循环时会检查当前的 CFRunLoopMode 是否有事件需要处理，如果有，则会调用该事件源的回调函数来处理事件。

CFRunLoop 还包含一个 commonModes 成员变量，它是一个 CFSet 对象，包含了所有公共的运行模式。当向 CFRunLoop 中添加事件源时，RunLoop 会将该事件源同时加入当前运行模式和公共运行模式的 inputSources 或者 timerSources 集合中，这样即使当前运行模式被切换，该事件源仍然可以被处理。

CFRunLoopMode

CFRunLoopMode 是 CFRunLoop 中的一个数据类型，用于管理事件源和定时器。CFRunLoopMode 包含两个集合：inputSources 和 timerSources。

inputSources 集合中存储了所有的输入源，例如触摸事件、网络请求等。每个输入源包含一个回调函数，当该输入源被触发时，RunLoop 会调用该回调函数来处理事件。

timerSources 集合中存储了所有的定时器，例如 NSTimer、CADisplayLink 等。每个定时器包含一个时间间隔，当时间间隔到达时，RunLoop 会调用该定时器的回调函数来处理事件。

CFRunLoopSource

CFRunLoopSource 是 CFRunLoop 中的一个数据类型，用于封装输入源。CFRunLoopSource 包含一个回调函数，当该输入源被触发时，RunLoop 会调用该回调函数来处理事件。

当向 CFRunLoop 中添加输入源时，RunLoop 会将其封装成一个 CFRunLoopSource 对象，并将其加入到相应的 CFRunLoopMode 的 inputSources 集合中。当该输入源被触发时，RunLoop 会调用 CFRunLoopSource 的回调函数来处理事件。

事件循环机制

RunLoop 的工作方式可以被看作是一个无限循环的过程，这个过程可以被分为以下几个步骤：

  • 获取当前线程的 RunLoop 对象。
  • 进入事件循环。
    当调用 CFRunLoopRun 或者 CFRunLoopRunInMode 函数时，RunLoop 会进入事件循环。RunLoop 会从当前运行模式的 inputSources 和 timerSources 集合中获取事件，并调用相应的回调函数来处理事件。如果当前运行模式中没有事件需要处理，则会等待事件到达。
  • 监听事件。
  • 处理事件。
    当一个输入源被触发时，RunLoop 会调用其回调函数来处理事件。在处理事件时，RunLoop 会从当前运行模式的 inputSources 集合中获取该输入源，并调用其回调函数来处理事件。
    当一个定时器到达时，RunLoop 会调用其回调函数来处理事件。在处理事件时，RunLoop 会从当前运行模式的 timerSources 集合中获取该定时器，并调用其回调函数来处理事件。
  • 等待新的事件。 如果当前运行模式中没有事件需要处理，则 RunLoop 会进入休眠状态，等待事件到达。
    当有事件到达时，RunLoop 会被唤醒，并开始处理事件。RunLoop 会不断地循环执行以上步骤，直到调用 CFRunLoopStop 函数或者外部强制终止。
    需要注意的是，RunLoop 在等待事件时会进入休眠状态，这意味着该线程会暂停执行。如果该线程被阻塞，例如正在进行网络请求或者文件读写操作，那么该线程就无法响应事件，这会导致界面卡顿或者出现其它异常行为。因此，在进行网络请求或者文件读写操作时，应该将这些操作放在后台线程中执行，避免阻塞主线程。
  • 回到第三步。 RunLoop 可以监听多种类型的事件，包括输入源、计时器和观察者等。输入源是一种异步事件，例如用户交互、网络请求和系统通知等。计时器是一种周期性事件，例如定时器和动画等。观察者可以用于监控 RunLoop 的状态，例如 RunLoop 的进入和退出。

RunLoop和线程

线程

线程是操作系统中独立的执行单元，它是操作系统分配处理器时间的基本单位。在 iOS 开发中通常会将 UI 操作放在主线程中执行，而将耗时的任务放在后台线程中执行，以保证应用的流畅性和响应速度。

RunLoop 的常用接口包括：

  • CFRunLoopGetCurrent：获取当前线程的 RunLoop 对象。
  • CFRunLoopGetMain：获取主线程的 RunLoop 对象。
  • CFRunLoopRun：启动 RunLoop，进入事件循环。
  • CFRunLoopStop：停止 RunLoop。

线程和 RunLoop 的关系

线程和 RunLoop 之间是一一对应的关系。每个线程都有一个对应的 RunLoop 对象，而且每个 RunLoop 对象只能在一个线程中执行。线程的 RunLoop 对象在第一次被访问时会自动创建，当线程销毁时会自动释放。

RunLoop 对线程的影响表现在以下几个方面：

    1. RunLoop 的启动 RunLoop 对线程的第一个影响是启动线程的 RunLoop。在主线程中，RunLoop 会在应用启动时自动启动，而在后台线程中，RunLoop 需要手动启动。
- (void)startThread {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(runThread) object:nil];
    [thread start];
}

- (void)runThread {
    @autoreleasepool {
        // 获取当前线程的 RunLoop 对象
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        
        // 启动 RunLoop，进入事件循环
        [runLoop run];
    }
}
    1. RunLoop 的退出 RunLoop 对线程的第二个影响是退出线程的 RunLoop。在主线程中，RunLoop 会在应用退出时自动退出，而在后台线程中，RunLoop 需要手动停止。
- (void)stopThread {
    if (self.thread) {
        // 获取当前线程的 RunLoop 对象
    NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    // 停止 RunLoop
    CFRunLoopStop([runLoop getCFRunLoop]);
  }   
}
    1. RunLoop 的模式 RunLoop 对线程的第三个影响是模式。RunLoop 通过模式来管理事件源和定时器。模式分为两种：默认模式和自定义模式。默认模式是指 RunLoop 运行时使用的模式，一般情况下为 kCFRunLoopDefaultMode。自定义模式是开发者自己定义的模式，可以根据自己的需要添加或移除事件源和定时器。
- (void)addTimerToRunLoop {
    // 创建定时器
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(handleTimer:) userInfo:nil repeats:YES];
    
    // 获取当前线程的 RunLoop 对象
    NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    
    // 将定时器添加到默认模式下的 RunLoop 中
    [runLoop addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

- (void)addTimerToCustomMode {
    // 创建定时器
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(handleTimer:) userInfo:nil repeats:YES];
    
    // 获取当前线程的 RunLoop 对象
    NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    
    // 将定时器添加到自定义模式下的 RunLoop 中
    [runLoop addTimer:timer forMode:@"CustomMode"];
}

RunLoop 的使用场景

RunLoop 在 iOS 和 macOS 应用程序开发中具有广泛的应用场景。下面是一些常见的使用场景：

界面更新

在 iOS 和 macOS 应用程序中，界面更新是一个重要的任务。在大多数情况下需要将界面更新任务添加到主线程的 RunLoop 中。这可以通过使用 GCD 或者 NSOperationQueue 来实现。

定时器

RunLoop 可以用于管理定时器。当一个定时器被创建时，RunLoop 会自动将其添加到消息队列中，并在特定的时间触发定时器事件。

网络通信

RunLoop 可以用于管理网络通信。当一个网络请求被发起时，RunLoop 会自动将其添加到消息队列中，并在收到网络响应后触发相应的事件。

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贡献者: perhapsdone
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