iOS RunLoop 高级教程 1

发布于 2024-11-01 11:27:23 字数 11978 浏览 8 评论 0

当前环境： Xcode10.0 Swift4.2 iOS SDK 12.1

RunLoop 苹果中的实现

首先我们可以看一下 App 启动后 RunLoop 的状态：下面代码可以认为是 App 启动后，我们打印一下当前主线程 RunLoop 对象，展示的结构。

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),
    }
  }
}

可以看到，系统默认注册了 5 个 Mode:

kCFRunLoopDefaultMode: App 的默认 Mode，通常主线程是在这个 Mode 下运行的。
UITrackingRunLoopMode: 界面跟踪 Mode，用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他 Mode 影响。
UIInitializationRunLoopMode: 在刚启动 App 时第进入的第一个 Mode，启动完成后就不再使用。
GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。
kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位的 Mode，没有实际作用。

你可以在这里看到更多的苹果内部的 Mode，但那些 Mode 在开发中就很难遇到了。

当 RunLoop 进行回调时，一般都是通过一个很长的函数调用出去 (call out), 当你在你的代码中下断点调试时，通常能在调用栈上看到这些函数。下面是这几个函数的整理版本，如果你在调用栈中看到这些长函数名，在这里查找一下就能定位到具体的调用地点了：

{
  /// 1. 通知 Observers，即将进入 RunLoop
  /// 此处有 Observer 会创建 AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
  __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);
  do {

    /// 2. 通知 Observers: 即将触发 Timer 回调。
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
    /// 3. 通知 Observers: 即将触发 Source (非基于 port 的,Source0) 回调。
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

    /// 4. 触发 Source0 (非基于 port 的) 回调。
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

    /// 6. 通知 Observers，即将进入休眠
    /// 此处有 Observer 释放并新建 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，线程被唤醒
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);

    /// 9. 如果是被 Timer 唤醒的，回调 Timer
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);

    /// 9. 如果是被 dispatch 唤醒的，执行所有调用 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 (基于 port 的) 的事件唤醒了，处理这个事件
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);


  } while (...);

  /// 10. 通知 Observers，即将退出 RunLoop
  /// 此处有 Observer 释放 AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
  __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

NO.1 AutoreleasePool

App 启动后，苹果在主线程 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一个 Observer 监视的事件是 Entry(即将进入 Loop)，其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647，优先级最高，保证创建释放池发生在其他所有回调之前。

第二个 Observer 监视了两个事件： BeforeWaiting(准备进入休眠) 时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出 Loop) 时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其释放池子发生在其他所有回调之后。

在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer 回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不必显示创建 Pool 了。

NO.2 事件响应

苹果注册了一个 Source1 (基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

当一个硬件事件（触摸/锁屏/摇晃等) 发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。这个过程的详细情况可以参考这里。SpringBoard 只接收按键（锁屏/静音等)，触摸，加速，接近传感器等几种 Event，随后用 mach port 转发给需要的 App 进程。随后苹果注册的那个 Source1 就会触发回调，并调用 _UIApplicationHandleEventQueue() 进行应用内部的分发。

_UIApplicationHandleEventQueue() 会把 IOHIDEvent 处理并包装成 UIEvent 进行处理或分发，其中包括识别 UIGesture/处理屏幕旋转/发送给 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在这个回调中完成的。

NO.3 手势识别

当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时，其首先会调用 Cancel 将当前的 touchesBegin/Move/End 系列回调打断。随后系统将对应的 UIGestureRecognizer 标记为待处理。

苹果注册了一个 Observer 监测 BeforeWaiting (Loop 即将进入休眠) 事件，这个 Observer 的回调函数是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其内部会获取所有刚被标记为待处理的 GestureRecognizer，并执行 GestureRecognizer 的回调。

当有 UIGestureRecognizer 的变化（创建/销毁/状态改变) 时，这个回调都会进行相应处理。

NO.4 界面更新

当在操作 UI 时，比如改变了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay 方法后，这个 UIView/CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。

苹果注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting(即将进入休眠) 和 Exit (即将退出 Loop) 事件，回调去执行一个很长的函数： _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。这个函数里会遍历所有待处理的 UIView/CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。

这个函数内部的调用栈大概是这样的：

_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];

NO.5 定时器

NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef，他们之间是 toll-free bridged 的。一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 这几个时间点。RunLoop 为了节省资源，并不会在非常准确的时间点回调这个 Timer。Timer 有个属性叫做 Tolerance (宽容度)，标示了当时间点到后，容许有多少最大误差。

如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则那个时间点的回调也会跳过去，不会延后执行。就比如等公交，如果 10:10 时我忙着玩手机错过了那个点的公交，那我只能等 10:20 这一趟了。

CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器（但实际实现原理更复杂，和 NSTimer 并不一样，其内部实际是操作了一个 Source）。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务，那其中就会有一帧被跳过去（和 NSTimer 相似），造成界面卡顿的感觉。在快速滑动 TableView 时，即使一帧的卡顿也会让用户有所察觉。Facebook 开源的 AsyncDisplayLink 就是为了解决界面卡顿的问题，其内部也用到了 RunLoop。

NO.6 PerformSelecter

当调用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 后，实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop，则这个方法会失效。

当调用 performSelector:onThread: 时，实际上其会创建一个 Timer 加到对应的线程去，同样的，如果对应线程没有 RunLoop 该方法也会失效。

NO.7 关于 GCD

实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西，比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 实现的 Timer（评论中有人提醒，NSTimer 是用了 XNU 内核的 mk_timer，我也仔细调试了一下，发现 NSTimer 确实是由 mk_timer 驱动，而非 GCD 驱动的）。但同时 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop，例如 dispatch_async()。

当调用 dispatchasync(dispatchget_main_queue(), block) 时，libDispatch 会向主线程的 RunLoop 发送消息，RunLoop 会被唤醒，并从消息中取得这个 block，并在回调 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE() 里执行这个 block。但这个逻辑仅限于 dispatch 到主线程，dispatch 到其他线程仍然是由 libDispatch 处理的。

NO.8 关于网络请求

iOS 中，关于网络请求的接口自下至上有如下几层：

CFSocket
CFNetwork     ->ASIHttpRequest
NSURLConnection ->AFNetworking
NSURLSession  ->AFNetworking2, Alamofire

CFSocket 是最底层的接口，只负责 socket 通信。
CFNetwork 是基于 CFSocket 等接口的上层封装，ASIHttpRequest 工作于这一层。
NSURLConnection 是基于 CFNetwork 的更高层的封装，提供面向对象的接口，AFNetworking 工作于这一层。
NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口，表面上是和 NSURLConnection 并列的，但底层仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 线程)，AFNetworking2 和 Alamofire 工作于这一层。

下面主要介绍下 NSURLConnection 的工作过程。

通常使用 NSURLConnection 时，你会传入一个 Delegate，当调用了 [connection start] 后，这个 Delegate 就会不停收到事件回调。实际上，start 这个函数的内部会会获取 CurrentRunLoop，然后在其中的 DefaultMode 添加了 4 个 Source0 (即需要手动触发的 Source)。CFMultiplexerSource 是负责各种 Delegate 回调的，CFHTTPCookieStorage 是处理各种 Cookie 的。

当开始网络传输时，我们可以看到 NSURLConnection 创建了两个新线程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 线程是处理底层 socket 连接的。NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 来接收底层 socket 的事件，并通过之前添加的 Source0 通知到上层的 Delegate。

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通过一些基于 mach port 的 Source 接收来自底层 CFSocket 的通知。当收到通知后，其会在合适的时机向 CFMultiplexerSource 等 Source0 发送通知，同时唤醒 Delegate 线程的 RunLoop 来让其处理这些通知。CFMultiplexerSource 会在 Delegate 线程的 RunLoop 对 Delegate 执行实际的回调。

总结：

经过前面初级和中级的学习和接触，了解 App 启动后主线程的 RunLoop 对象内部结构和状态。
RunLoop 在 iOS 中的原生运用， AutorelsesePool , 事件响应 , 手势识别 , 界面更新 , 定时器 , PerformSelecter , 关于 GCD , 关于网络请求 。

本文参考：

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