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1.RunLoop简介

1.1 什么是RunLoop

简单来说就是:运行循环,可以理解成一个死循环,一直在运行。

RunLoop实际上就是一个对象,这个对象用来处理程序运行过程中出现的各种事件(触摸、Timer、网络),从而保持线程的持续运行,而且在没有事件处理的时候,会进入休眠,从而节省CPU资源,提高程序性能。

OSX/iOS系统中,提供了两个这样的对象:NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。CFRunLoopRef 是在CoreFoundation 框架内的,它提供了纯 C 函数的 API,所以这些API都是现成安全的;NSRunLoop是基于 CFRunLoopRef 的封装,提供了面向对象的API,但是这些API不是现成安全的。

1.2 RunLoop和线程

RunLoop 和线程有很密切的关系,我们知道线程的任务是用来执行一个或多个特定的任务,但是在默认情况下,线程执行完之后就会退出。这时候,如果我们想让这个线程一直去处理任务,并不退出,所以就有了RunLoop。

  1. 一条线程对应一个RunLoop对象,但是子线程中的RunLoop默认是不运行的,需要调用RunLoop的run方法,这个方法就是一个死循环
  2. 我们只能在当前线程中操作当前线程的RunLoop对象;
  3. RunLoop对象是在第一次获取RunLoop对象时创建,在线程结束的时候销毁;
  4. 主线程RunLoop对象,系统帮我们创建好了,子线程的RunLoop对象,需要我们自己去创建。

1.3 默认情况下的主线程的RunLoop原理

我们在启动一个程序的时候,系统会调用创建项目时自动生成的 main.m 文件:

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

 其中 UIApplicationMain 函数内部帮我们开启了主线程的 RunLoop,UIApplicationMain 函数内部有一个无线循环的代码,上面开启 RunLoop 的代码可以简单的理解为以下代码:

int main(int argc, char * argv[]) {        
    BOOL running = YES;
    do {
        // 执行各种任务,处理各种事件
        // ......
    } while (running);

    return 0;
}

 从上面可以看出,程序一直在 do-while 循环中执行,所以 UIApplicationMain 函数一直没有返回,我们在运行程序之后,不会马上退出,会保持持续运行状态。

来看一张官方的 RunLoop 模型图:

从上图中可以看出,RunLoop 就是线程中的的一个循环,RunLoop 在循环中会不断检测,通过 Input Source (输入源) 和 Timer Source(定时源) 两种事件源来等待接收事件,然后对接收到的事件通知线程处理,并在没有事件的时候休息。

2.RunLoop相关类

下面我们来了解一下 Core Fundation 框架下,关于RunLoop 的5个类:

  1. CFRunLoopRef:代表RunLoop对象
  2. CFRunLoopModeRef:代表RunLoop的运行模式
  3. CFRunLoopSourceRef:就是RunLoop模型中提到的输入源/事件源
  4. CFRunLoopTimerRef:就是RunLoop模型中的定时源
  5. CFRunLoopObserverRef:观察者,能够监听RunLoop的状态改变

下面是这5个类的关系图:

通过上图,我们可以看出,一个RunLoop对象(CFRunLoopRef)包含若干个运行模式(CFRunLoopModeRef),每一个运行模式下又包含着若干个输入源(CFRunLoopSourceRef),定时源(CFRunLoopTimerRef),观察者(CFRunLoopObserverRef)

  • 每次RunLoop启动的时候,只能指定其中的一种运行模式(CFRunLoopModeRef),这个运行模式被称为 currentMode
  • 如果需要切换运行模式(CFRunLoopModeRef),只能退出 RunLoop,在重新指定一个运行模式(CFRunLoopModeRef)进入
  • 这样做主要是为了分割开输入源(CFRunLoopSourceRef),定时源(CFRunLoopTimerRef),观察者(CFRunLoopObserverRef),使其不受影响

2.1 CFRunLoopRef

CFRunLoopRef 就是 Core Foundation 框架下的 RunLoop 类,我们可以通过以下方式来获取 RunLoop 对象:

  • Core Foundation
CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain();    // 获得主线程的RunLoop对象
  •  Foundation
[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop];    // 获得主线程的RunLoop对象

 2.2 CFRunLoopModeRef

系统默认定义了多种运行模式:

  1. kCFRunLoopDefaultMode : App的默认运行模式,通常主线程是在这个运行模式下运行
  2. UITrackingRunLoopMode :跟踪用户的交互事件 (用于scrollView追踪触摸滑动,保证界面滑动时不受其他mode影响),只能是触摸事件唤醒,级别最大
  3. UIInitializationRunLoopMode:在刚启动App的时候进入的第一个mode,启动完成后就不在使用
  4. GSEventReceiveRunLoopMode:接受系统内部事件,通常用不到
  5. kCFRunLoopCommonMode:占位模式,不是一种真正的运行模式,

2.3 CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopTimerRef 定时源,理解为基于时间的触发器,基本上就是NSTimer。

 下面我们来演示下 CFRunLoopModeRef 和 CFRunLoopTimerRef 结合的使用用法,从而加深理解:

 - 我们先新建一个iOS项目,在Main.storyboard中拖入一个Text View。

 - 在ViewController.m 文件中加入以下代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 定义一个定时器,约定两秒之后调用self的run方法
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

    // 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

- (void)run
{
    NSLog(@"---run");
}

  - 然后运行,这时候我们会发现如果我们不对模拟器进行任何操作的话,定时器会稳定的每隔2秒调用run 方法打印

 - 但是当我们拖动Text View 滚动时,我们发现 :run 方法不打印了,也就是说 NSTimer 不工作了。而当我们松开鼠标的时候, NSTimer就又开始正常工作了。

这是因为:

  • 当我们不做任何操作的时候,RunLoop 处于 NSDefaultRunLoopMode 下
  • 而当我们拖动 Text View 的时候,RunLoop 就结束 NSDefaultRunLoopMode,切换到了 UITrackingRunLoopMode 模式下,这个模式下没有添加 NSTimer,所以我们的 NSTimer 就不工作了
  • 但当我们松开鼠标的时候,RunLoop就结束 UITrackingRunLoopMode 模式,又切换回 NSDefaultRunLoopMode 模式,所以 NSTimer 就又开始正常工作了。

可以试着将上面代码中的:

// 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

 换成

// 将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

 也就是将定时器添加到当前 RunLoop 的UITrackingRunLoopMode 下,你就会发现定时器只会在拖动 Text View 的模式下工作,而不做操作的时候,定时器就不工作。

那难道我们就不能再这两种模式下让NSTimer都能正常工作吗?

当然可以啊,这就用到了之前说的 伪模式(kCFRunLoopCommonModes) ,也可以理解为占位模式,这其实不是一种真实的模式,而是一种标记模式,意思就是可以在打上Common Modes标记的模式下运行。

那么此时,我们需要将 NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode 打上标记,所以我们只要将NSTimer 添加到当前 RunLoop 的占位模式下就可以让 NSTimer 在不做操作和拖动 Text View 两种情况下愉快的工作了。

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

 顺便讲一下 NSTimer 中的 scheduledTimerWithTimeInterval 方法和 RunLoop 的关系:

[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

 这句代码调用了 scheduledTimer 返回的定时器,NSTimer 会自动被加入到了 RunLoop 的 NSDefaultRunLoopMode 模式下,这句代码相当于下面两句代码:

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

 2.4 CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef 是事件源,它有两种分类方法:

第一种:按照官方文档来分类(就像RunLoop模型图中那样):

  • Port-Based Sources (基于端口)
  • Custom Input Sources (自定义)
  • Cocoa Perform Selector Sources

第二种:按照函数调用栈来分类:

  • Source0:非基于Port(这是个啥?进行间通信的轻量级的方式?),处理App内部事件、App负责管理,如UIEvent、CFS ocket.
  • Source1:基于Port,通过内核和其他线程通信,接收、分发系统事件

这两种分类方式其实没有区别,只不过第一种是通过官方理论来分类,第二种是在实际应用中通过调用函数来分类、。 

下面我们举个例子大致来了解一下函数调用栈和Source:

当我们点击红色区域的时候,会弹出下面的窗口,这就是点击事件产生的函数调用栈:

 

所以点击事件是这样来的:

  1. 首先程序启动,调用 16 行的main函数,main函数调用15行的UIApplicationMain函数,然后一直往上调用函数,最终调用到 0 行的BtnClick 函数,即点击函数。
  2. 同时我们可以看到11 行中有Sources0,也就是说我们点击事件是属于 Sources0 函数的,点击事件就是在 Sources0 中处理的。
  3. 而至于 Sources1,则是用来接收、分发系统事件,然后再分发到Sources0中处理的。

2.5 CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者,用来监听RunLoop的状态改变:

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),               // 即将进入Loop:1
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),        // 即将处理Timer:2    
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),       // 即将处理Source:4
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),       // 即将进入休眠:32
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),        // 即将从休眠中唤醒:64
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),                // 即将从Loop中退出:128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU       // 监听全部状态改变  
};

 下面我们通过代码来监听RunLoop中的状态改变:

1. 添加以下代码:

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 创建观察者
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
        NSLog(@"监听到RunLoop发生改变---%zd",activity);
    });

    // 添加观察者到当前RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);

    // 释放observer,最后添加完需要释放掉
    CFRelease(observer);
}

 2.然后运行,看下打印结果:

2017-12-18 23:05:06.992894+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.993346+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.993608+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.993798+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.993986+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.994204+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.997608+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.997771+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.997951+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.998064+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.998226+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.998342+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.999366+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.999518+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:06.999653+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:06.999757+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:07.002657+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:07.003307+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:07.067024+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---2
2017-12-18 23:05:07.067467+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---4
2017-12-18 23:05:07.068242+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---32
2017-12-18 23:05:07.248755+0800 RunLoop[10436:1007150] 监听到RunLoop发生改变---64

 可以看到RunLoop的状态在不断的改变,最终变成了状态 32,也就是即将进入睡眠状态,说明RunLoop之后就会进入睡眠状态。

3. RunLoop 原理

下面,我们来理解下RunLoop的运行逻辑了:

这张图对于我们理解RunLoop很有帮助,下面我们说下官方文档给我们的RunLoop逻辑:

在每次运行开启RunLoop的时候,所在线程的RunLoop会自动处理之前未处理的事件,并且通知相关的观察者:

  1. 通知观察者RunLoop已经启动
  2. 通知观察者即将要开始的定时器
  3. 通知观察者任何即将启动的非基于端口的源
  4. 启动任何准备好的非基于端口的源
  5. 如果基于端口的源准备好并处于等待状态,立即启动,并进入步骤9
  6. 通知观察者线程进入休眠状态
  7. 将线程置于休眠直到任一下面的事件发生:某一事件到达基于端口的源 - 定时器启动 - RunLoop设置的时间已经超时 - RunLoop被显示唤醒
  8. 通知观察者线程将被唤醒
  9. 处理未处理的事件 - 如果用户定义的定时器启动,处理定时器事件并重启RunLoop,进入步骤2  - 如果输入源启动,传递相应的消息 - 如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时,重启RunLoop,进入步骤2
  10. 通知观察者RunLoop结束。

4 使用场景

4.1 后台常驻线程(很常用)

我们在开发程序的过程中,如果后台操作特别频繁,经常会在子线程做一些耗时操作(下载文件、后台播放音乐等),我们最好能让这条线程永远常驻内存。

那么怎么做呢?

添加一条用于常驻内存的强引用的子线程,在该线程的RunLoop下添加一个 Sources,开启 RunLoop。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    // 创建线程,并调用run1方法执行任务
    self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run1) object:nil];
    // 开启线程
    [self.thread start];    
}

- (void) run1
{
    // 这里写任务
    NSLog(@"----run1-----");

    // 添加下边两句代码,就可以开启RunLoop,之后self.thread就变成了常驻线程,可随时添加任务,并交于RunLoop处理
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] run];

    // 测试是否开启了RunLoop,如果开启RunLoop,则来不了这里,因为RunLoop开启了循环。
    NSLog(@"未开启RunLoop");
}

 运行之后发现打印了 ---run1--- ,而未开启RunLoop则未打印。

这样我们就开启了一条常驻线程,如果我们再去添加其他任务的时候,---run1---还会继续打印,这就实现了常驻线程的需求。