再谈RunLoop
RunLoop
一 概述：
- 一句话解释RunLoop：运行任务的循环。
- 为什么要有RunLoop：解决交互式UI设计中的一个问题，如何快速响应用户输入，如何快速将程序运行结果输出到屏幕？ 计算机是个笨蛋，同一个时间里只能做同一件事情。要么处理计算任务， 要么轮询各种I/O 接口。 那么，在没有线程的情况下，如何在计算的同时， 又能够轮询各种I/O接口，以迅捷的 和用户交互呢? CS的科学家给出的答案是:看起来够迅捷就行。人的反应速度是有上限的， 因此只要把 计算机的运行时间划分成很多小片段，小到小于人的反应时间， 那么就可以从这些时间片段 中“偷”出一些时间来处理计算任务了。 这么说似乎比较抽象。用个例子可以说明runloop的原理: 要求实现一个程序，当程序运行 后，用户每敲击一个字符， 就直接在屏幕上打印用户输入的字符，当程序运行十秒之后， 在 屏幕上输出“Timeout”并退出程序。 那么，问题来了:不用多线程，如何实现这个程序?按照直觉，可以这么写: error implementation⟩≡ time_t startTime = time(); char buf[255]; scanf("%s\n", buf); printf("%s\n", buf); sleep(5); Printf("Timeout\n"); return 0;
可是！scanf等扫描用户输入的程序是阻塞的。 也就是说, 在scanf这个地方，只要用户一直没有输入，那么程序就全部阻塞了， 接下sleep(5);在用户完成输入之前是永远不会运行 的。那么， 把sleep(5);放到scanf前面呢?也不行，因为sleep同样也是阻塞的。 也就是说， 如果sleep在前面，那么有整整5秒时间，用户都是无法输入的。
这里我们有两个任务:
1) 检测用户输入;
2) 检测时间流逝。 这两个任务是必须并行 的，可是如果直接调用系统的方法，那么我们无法并行， 因为scanf和sleep都是阻塞的，我们 没法控制阻塞的时间和条件。 既然阻塞的方法不行，那么为什么不试试非阻塞的呢? 这就是runloop这种框架的动机。 这里我们假设有一个非阻塞的bool readCh(char* ch)函数。 它的作用是获取用户键入的一 个ascii字符，如果用户没有输入任何东西， 那么它将返回false，否则为true。在true的情况 下， 用户的输入通过ch参数带出。
⟨unblocked implementation⟩≡
time_t startTime = time(NULL);
while (1) {
char ch;
if (true == readCh(&ch)) {
printf("%c", ch);
}
if (time(NULL) - startTime > 5) {
printf("Timeout\n");
return;
}二 Runloop 实现:
接下来的章节中我们将实际实现一个基本的runloop， 同样很阳春，具备这么些个功能:
- runloop 的启动、退出机制
- 任务注册
- runloop重入，loop一段指定的时间
- autorelease 同时还会实现一个Timer，演示一下runloop下的异步执行和回调机制。
2.1 问题描述
我们要实现的程序还是和第一节里面的需求是一样的， 在一定时间内允许用户输入任意字 符并将用户的输入打印在屏幕上， 5秒后程序打印Timeout并退出。
2.2 Outline
首先我们来看看，有了runloop之后，程序的main函数应该是怎样的:
⟨main function⟩≡
int main() {
//register runloop jobs
runloop_registerJob(&checkAndPrintUserInput);
timer_setTimer(5, &printTimeoutAndExit);
//kick up runloop
runloop_run();
return 0;
}瞧，这就是main函数的全部了，分两部分:注册任务和启动runloop。
2.3 Register Jobs in runloop
我们先来看看第一部分:
runloop_registerJob(&checkAndPrintUserInput);
timer_setTimer(5, &printTimeoutAndExit);第一句几乎是自注释的，你应该猜到了，这句的作用是往runloop中注册一个任务， 而任 务的形式是一个函数。所以在这里， checkAndPrintUserInput这个函数的地址被当做参数传入 了。 在具体谈谈注册机制的实现之前，我们先规定一下这里runloop中的“任务”。 从开发的角 度看，任务本质上就是一段代码，而用何种形式组织这段代码， 则是根据应用场景的不同而不 同的，比如这个例子中， 我们规定一个函数就是一个任务，而因为是函数，所以得有一定的调 用约定:
⟨define job function type⟩≡
typedef void (*runloopJob)(void);而在Apple平台下，一般是用OO的方式——一个对象+它的方法来代表一个任务。 下面就是 在日常的编程中，Apple程序员最经常接触到的注册任务的方式:
⟨most familia way to register a job on runloop⟩≡
[someInstance performSelectorOnMainThread: SEL(someSelector)];有些惊讶么?别奇怪，NSRunloop和NSObject是紧密结合的。 performSelectorOnMainThread: 这个函数背后干的就是把它的调用者—— self和参数 ——一个selector包装成一个可以在runloop中运行的任务， 并将这个任务注册到runloop里面
好，接下来要实现我们自己的任务注册机制了。 因为比较阳春，我们用一个全局的数组来 做任务队列， runloop在运行时会遍历这个数组，取出其中的函数地址并执行。 这个数组的最 末尾一个元素为NULL，作为数组结束的标志。
⟨define a job queue⟩≡
runloopJob jobs[10] = {NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
NULL, NULL, NULL, NULL, NULL};出于简单起见，jobs数组的长度为10，在这个例子里也够用了。 实际上一般是用动态的数 组来实现的任务队列，在Apple平台上，一般是NSArray。
有了任务队列，注册任务这个函数就很简单了:(将新任务添加到队列末尾)
⟨definition of runloop_registerJob⟩≡
bool runloop_registerJob(runloopJob newJob) {
runloopJob* jobPos = jobs;
runloopJob* endPos = jobs + sizeof(jobs) / sizeof(runloopJobs) - 1;
while (*jobPos && jobPos < endPos) {
jobPos++;
}
if (jobPos < endPos)
*jobPos = newJob;
return true;
}
return false;
}2.4 Define a Timer
接着是第二句话， 也是自注释的， 注册一个Timer， 时间五秒，五秒后调用printTime- outAndExit。 这里实现的Timer很简单，全局只有一个Timer，只能设置一个回调函数。 实现 Timer实际上要实现两部分内容:
1) Timer是如何利用runloop启动、运行和退出的;
2) Timer 的回调函数是如何注册的。
我们首先来看Timer需要用到的typedef和变量:
⟨definition of Timer⟩≡
typedef void (*timerCallback)(void);
time_t timer_startTime = 0;
time_t timeout_seconds = 0;
timerCallback timer_timerCallback = NULL;
bool timer_is_set = false;上面这段代码首先是Timer的回调函数的定义， 接着是Timer开始运行的时间、Timer超时的 时间和回调函数。 最后一个变量用于防止重复设置Timer。
因为没有线程，所以我们的Timer必须在runloop中反复运行，以达到检测时间流逝的效果。 所以我们需要定义Timer在runloop中运行的内容:
⟨definition of Timer⟩+≡
void timerJob() {
if (time(NULL) - timer_startTime > timeout_seconds) {
timer_startTime = 0;
timer_is_set = false;
timeout_seconds = 0;
runloop_unregisterJob(&timerJob);
timer_timerCallback();
timer_timerCallback = NULL;
}
}上面这段代码很简单，每次运行都检测是否超时，如果超时则重置Timer相关的变量， 并将 timerJob从runloop的任务队列中移除，最后调用回调函数并重置回调函数 。 到这里，我们已经解决了Timer是如何在runloop中运行和退出这两个问题， 最后我们来实现Timer的注册机制:
⟨definition of Timer⟩+≡
bool timer_setTimer(time_t timeout, timerCallback callback) {
if (timer_is_set) {
return false;
}
timer_startTime = time(NULL);
timer_timerCallback = callback;
timeout_seconds = timeout;
timer_is_set = true;
runloop_registerJob(timerJob);
return true;
}2.5 Run a runloop
OK, 接着我们可以看看，runloop是怎么run的了:
⟨definition of runloop run and quit⟩≡
bool shouldContinue;
void runloop_run() {
bool shouldContinue = true;
int jobIndex = 0;
while(1) {
if (jobs[0] == NULL) {
return;
}
if (jobs[jobIndex] != NULL) {
jobs[jobIndex]();
jobIndex++;
} else {
jobIndex = 0;
}
if (false == shouldContinue) {
break;
}
}
}不复杂吧?接着就是退出机制了。
⟨definition of runloop run and quit⟩+≡
void runloop_stop() {
shouldContinue = false;
}这个退出机制一般是在某个runloop中的任务调用的。 别忘了，runlooprun实际上是阻塞式的函数，任何形如 runlooprun(); runloop_stop(); 的代码都是不能终止runloop的。
好了，到这里，一个基本的runloop就完备了，最后我们来实现 checkAndPrintUserInput 和 printTimeoutAndExit两个函数:
⟨definition of checkAndPrintUserInput⟩≡
void checkAndPrintUserInput() {
char ch;
if (canRead(&ch)) {
printf("%c", ch);
}
}
⟨definition of printTimeoutAndExit⟩≡
void printTimeoutAndExit() {
printf("Timeout\n");
exit(0);
}三 Runloop的一些特点和注意事项
最后，总结一下runloop的一些特点:
- 单线程! runloop绝不是一个多线程的玩意， 所以不存在一个变量同时被改写这回事， 所以在NSRunloop中，如果你不希望一个变量被改写， 而使用了一个NSLock来锁住这个变 量， 那么，你要么得到一个死锁(如果你的锁是非递归的情况)， 要么你想保护的变量 还是被改写了(因为是单线程的)。
- 所有起点是UI的代码， 除非明确指明运行在其他线程上 (通过类似performOnBackground, performSelector:onThread: 等方式)，否则都是运行在主线程的runloop上的
- 不要在runloop中运行些“大任务”，比如循环个十万二十万次或者其他什么东西， 因为 你实际上是在使用和UI相同的线程。不然，你就会经常见到风火轮了。
- 异步! runloop的确是一个异步模型， 只不过这个异步模型是通过对任务的调度来实现 的。比如你向runloop中注册任务时， 不是添加到任务的队尾 ，而是插队,那么实际上 执行顺序就被打乱了。 插队这种现象其实很常见，每次当你在一个函数里面调用 - [NSRunloop runMode:beforeDate:] 这个方法时， 实质上就是在打断当前的runloop任 务的执行，转而执行runloop中的其他任务。 记住，这是以单线程的方式打乱了任务的时 序，所以NSLock是不起作用的。
- 一个runloop，一个线程。 当启动一个新的线程的时候， 这个线程并不会自动拥有一个 runloop，你必须自己完成创建等工作。
- 没有runloop，没有autorelease。 runloop的每次loop开始时，会建立一个autorelease pool， 于是这次loop中执行的所有任务里，任意某个对象调用了autorelease， 它都 会被注册到这个autorelease pool中。 然后在本次loop结束时，autorelease pool会被 drain。 所以，当没有runloop的时候，也就没有相关联的autorelease pool， 这个时候 调用autorelease是没有意义的
四 iOS中的Runloop
RunLoop 实际上就是一个对象，这个对象管理了其需要处理的事件和消息，并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后，就会一直处于这个函数内部 “接受消息->等待->处理” 的循环中，直到这个循环结束（比如传入 quit 的消息），函数返回。
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，所有这些 API 都是线程安全的。 NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封装，提供了面向对象的 API，但是这些 API 不是线程安全的。
RunLoop 对外的接口
在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:
CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef其中 CFRunLoopModeRef 类并没有对外暴露，只是通过 CFRunLoopRef 的接口进行了封装。他们的关系如下:
一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source/Timer/Observer。每次调用 RunLoop 的主函数时，只能指定其中一个 Mode，这个Mode被称作 CurrentMode。如果需要切换 Mode，只能退出 Loop，再重新指定一个 Mode 进入。这样做主要是为了分隔开不同组的 Source/Timer/Observer，让其互不影响。
CFRunLoopSourceRef 是事件产生的地方。Source有两个版本：Source0 和 Source1。
- Source0 只包含了一个回调（函数指针），它并不能主动触发事件。使用时，你需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source)，将这个 Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop，让其处理这个事件。
- Source1 包含了一个 mach_port 和一个回调（函数指针），被用于通过内核和其他线程相互发送消息。这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程，其原理在下面会讲到。
CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含一个时间长度和一个回调（函数指针）。当其加入到 RunLoop 时，RunLoop会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop会被唤醒以执行那个回调。
CFRunLoopObserverRef 是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
kCFRunLoopEntry = (1UL << 0), // 即将进入Loop
kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1), // 即将处理 Timer
kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Source
kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
kCFRunLoopExit = (1UL << 7), // 即将退出Loop
};上面的 Source/Timer/Observer 被统称为 mode item，一个 item 可以被同时加入多个 mode。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。
RunLoop 的Mode
CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的结构大致如下：
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<Source/Observer/Timer> CFRunLoopModeRef _currentMode; // Current Runloop Mode CFMutableSetRef _modes; // Set ... };
这里有个概念叫 “CommonModes”：一个 Mode 可以将自己标记为”Common”属性（通过将其 ModeName 添加到 RunLoop 的 “commonModes” 中）。每当 RunLoop 的内容发生变化时，RunLoop 都会自动将 _commonModeItems 里的 Source/Observer/Timer 同步到具有 “Common” 标记的所有Mode里。
应用场景举例：主线程的 RunLoop 里有两个预置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。这两个 Mode 都已经被标记为”Common”属性。DefaultMode 是 App 平时所处的状态，TrackingRunLoopMode 是追踪 ScrollView 滑动时的状态。当你创建一个 Timer 并加到 DefaultMode 时，Timer 会得到重复回调，但此时滑动一个TableView时，RunLoop 会将 mode 切换为 TrackingRunLoopMode，这时 Timer 就不会被回调，并且也不会影响到滑动操作。
有时你需要一个 Timer，在两个 Mode 中都能得到回调，一种办法就是将这个 Timer 分别加入这两个 Mode。还有一种方式，就是将 Timer 加入到顶层的 RunLoop 的 “commonModeItems” 中。”commonModeItems” 被 RunLoop 自动更新到所有具有”Common”属性的 Mode 里去。
[[NSRunLoop mainRunLoop] addTimer:self.completionDelayTimer forMode:NSRunLoopCommonModes];RunLoop 的内部逻辑
根据苹果在文档里的说明，RunLoop 内部的逻辑大致如下:
内部代码整理如下：
/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
/// 首先根据modeName找到对应mode
CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
/// 如果mode里没有source/timer/observer, 直接返回。
if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
/// 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
/// 内部函数，进入loop
__CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {
Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
int retVal = 0;
do {
/// 2. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Timer 回调。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
/// 3. 通知 Observers: RunLoop 即将触发 Source0 (非port) 回调。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
/// 执行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
/// 4. RunLoop 触发 Source0 (非port) 回调。
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
/// 执行被加入的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
/// 5. 如果有 Source1 (基于port) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
if (hasMsg) goto handle_msg;
}
/// 通知 Observers: RunLoop 的线程即将进入休眠(sleep)。
if (!sourceHandledThisLoop) {
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
}
/// 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
/// • 一个基于 port 的Source 的事件。
/// • 一个 Timer 到时间了
/// • RunLoop 自身的超时时间到了
/// • 被其他什么调用者手动唤醒
__CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
}
/// 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
__CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
/// 收到消息，处理消息。
handle_msg:
/// 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个Timer的回调。
if (msg_is_timer) {
__CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
}
/// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，执行block。
else if (msg_is_dispatch) {
__CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
}
/// 9.3 如果一个 Source1 (基于port) 发出事件了，处理这个事件
else {
CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
if (sourceHandledThisLoop) {
mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
}
}
/// 执行加入到Loop的block
__CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
/// 进入loop时参数说处理完事件就返回。
retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
} else if (timeout) {
/// 超出传入参数标记的超时时间了
retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
} else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
/// 被外部调用者强制停止了
retVal = kCFRunLoopRunStopped;
} else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
/// source/timer/observer一个都没有了
retVal = kCFRunLoopRunFinished;
}
/// 如果没超时，mode里没空，loop也没被停止，那继续loop。
} while (retVal == 0);
}
/// 10. 通知 Observers: RunLoop 即将退出。
__CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}可以看到，实际上 RunLoop 就是这样一个函数，其内部是一个 do-while 循环。当你调用 CFRunLoopRun() 时，线程就会一直停留在这个循环里；直到超时或被手动停止，该函数才会返回。
RunLoop 的底层实现
从上面代码可以看到，RunLoop 的核心是基于 mach port 的，其进入休眠时调用的函数是 mach_msg()。为了解释这个逻辑，下面稍微介绍一下 OSX/iOS 的系统架构。
Darwin 即操作系统的核心，包括系统内核、驱动、Shell 等内容。
我们在深入看一下 Darwin 这个核心的架构：
其中，在硬件层上面的三个组成部分：Mach、BSD、IOKit (还包括一些上面没标注的内容)，共同组成了 XNU 内核。 XNU 内核的内环被称作 Mach，其作为一个微内核，仅提供了诸如处理器调度、IPC (进程间通信)等非常少量的基础服务。 BSD 层可以看作围绕 Mach 层的一个外环，其提供了诸如进程管理、文件系统和网络等功能。 IOKit 层是为设备驱动提供了一个面向对象(C++)的一个框架。
Mach 本身提供的 API 非常有限，而且苹果也不鼓励使用 Mach 的 API，但是这些API非常基础，如果没有这些API的话，其他任何工作都无法实施。在 Mach 中，所有的东西都是通过自己的对象实现的，进程、线程和虚拟内存都被称为”对象”。和其他架构不同， Mach 的对象间不能直接调用，只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。”消息”是 Mach 中最基础的概念，消息在两个端口 (port) 之间传递，这就是 Mach 的 IPC (进程间通信) 的核心。
Mach 的消息定义是在 头文件的，很简单：
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;
一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB)，其头部定义了当前端口 localport 和目标端口 remoteport，一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB)，其头部定义了当前端口 localport 和目标端口 remoteport，
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);为了实现消息的发送和接收，machmsg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap)，即函数machmsgtrap()，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 machmsgtrap() 时会触发陷阱机制，切换到内核态；内核态中内核实现的 machmsg() 函数会完成实际的工作，如下图：
RunLoop 的核心就是一个 machmsg() (见上面代码的第7步)，RunLoop 调用这个函数去接收消息，如果没有别人发送 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态。例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App，然后在 App 静止时点击暂停，你会看到主线程调用栈是停留在 machmsg_trap() 这个地方。
五 苹果用 RunLoop 实现的功能
首先我们可以看一下 App 启动后 RunLoop 的状态：
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。
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 objcautoreleasePoolPush() 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objcautoreleasePoolPop() 和 objcautoreleasePoolPush() 释放旧的池并创建新池；Exit(即将退出Loop) 时调用 objcautoreleasePoolPop() 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。
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。
注意：事件响应请关注后续的响应链分享！
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。
question：为什么要在Loop即将进入休眠的时候执行GestureRecognizer的回调
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：ZN2CA11Transaction17observercallbackEP19__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];Tip：当想强制刷新的时候，可以将UIView的setNeedsLayout置为YES，然后布局【view layoutIfNeeded】； 注意：界面更新请关注后续的UI渲染分享
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。
注意两点：
- UIScrollView上的NSTimer
- 子线程使用NSTimer要加入到RunLoop中
思考:如何写一个相对准确的定时器
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。
demo出现问题 TODO-WT
关于GCD
实际上 RunLoop 底层也会用到 GCD 的东西。但同时 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop， 例如 dispatch_async()。
当调用 dispatchasync(dispatchgetmainqueue(), 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 CFRUNLOOPISSERVICINGTHEMAINDISPATCHQUEUE() 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。
请看《RunLoop 的内部逻辑》的内部代码整理
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。
六 本次分享要解决的问题，使用RunLoop实现常驻线程
举个例子： AFURLConnectionOperation 这个类是基于 NSURLConnection 构建的，其希望能在后台线程接收 Delegate 回调。为此 AFNetworking 单独创建了一个线程，并在这个线程中启动了一个 RunLoop
+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
@autoreleasepool {
[[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
[runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
[runLoop run];
}
}
+ (NSThread *)networkRequestThread {
static NSThread *_networkRequestThread = nil;
static dispatch_once_t oncePredicate;
dispatch_once(&oncePredicate, ^{
_networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
[_networkRequestThread start];
});
return _networkRequestThread;RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer/Observer/Source，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。通常情况下，调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内；但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出，并没有用于实际的发送消息。
- (void)start {
[self.lock lock];
if ([self isCancelled]) {
[self performSelector:@selector(cancelConnection) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
} else if ([self isReady]) {
self.state = AFOperationExecutingState;
[self performSelector:@selector(operationDidStart) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
}
[self.lock unlock];
}当需要这个后台线程执行任务时，AFNetworking 通过调用 [NSObject performSelector:onThread:..] 将这个任务扔到了后台线程的 RunLoop 中。
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