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深入理解RunLoop

Ios-OC phil 643次浏览 0个评论

转自:http://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/

RunLoop 是 iOS 和 OSX 开发中非常基础的一个概念,这篇文章将从 CFRunLoop 的源码入手,介绍 RunLoop 的概念以及底层实现原理。之后会介绍一下在 iOS 中,苹果是如何利用 RunLoop 实现自动释放池、延迟回调、触摸事件、屏幕刷新等功能的。

Index
RunLoop 的概念
RunLoop 与线程的关系
RunLoop 对外的接口
RunLoop 的 Mode
RunLoop 的内部逻辑
RunLoop 的底层实现
苹果用 RunLoop 实现的功能
AutoreleasePool
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
RunLoop 的实际应用举例
AFNetworking
AsyncDisplayKit

RunLoop 的概念

一般来讲,一个线程一次只能执行一个任务,执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制,让线程能随时处理事件但并不退出,通常的代码逻辑是这样的:

这种模型通常被称作 Event Loop。 Event Loop 在很多系统和框架里都有实现,比如 Node.js 的事件处理,比如 Windows 程序的消息循环,再比如 OSX/iOS 里的 RunLoop。实现这种模型的关键点在于:如何管理事件/消息,如何让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。

所以,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。

CFRunLoopRef 的代码是开源的,你可以在这里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/ 下载到整个 CoreFoundation 的源码来查看。

(Update: Swift 开源后,苹果又维护了一个跨平台的 CoreFoundation 版本:https://github.com/apple/swift-corelibs-foundation/,这个版本的源码可能和现有 iOS 系统中的实现略不一样,但更容易编译,而且已经适配了 Linux/Windows。)

RunLoop 与线程的关系

首先,iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread。过去苹果有份文档标明了 NSThread 只是 pthread_t 的封装,但那份文档已经失效了,现在它们也有可能都是直接包装自最底层的 mach thread。苹果并没有提供这两个对象相互转换的接口,但不管怎么样,可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一对应的。比如,你可以通过 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 来获取主线程;也可以通过 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 来获取当前线程。CFRunLoop 是基于 pthread 来管理的。

苹果不允许直接创建 RunLoop,它只提供了两个自动获取的函数:CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 这两个函数内部的逻辑大概是下面这样:

从上面的代码可以看出,线程和 RunLoop 之间是一一对应的,其关系是保存在一个全局的 Dictionary 里。线程刚创建时并没有 RunLoop,如果你不主动获取,那它一直都不会有。RunLoop 的创建是发生在第一次获取时,RunLoop 的销毁是发生在线程结束时。你只能在一个线程的内部获取其 RunLoop(主线程除外)。

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:
RunLoop_0

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:

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:

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。

CFRunLoop对外暴露的管理 Mode 接口只有下面2个:

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面几个:

你只能通过 mode name 来操作内部的 mode,当你传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时,RunLoop会自动帮你创建对应的 CFRunLoopModeRef。对于一个 RunLoop 来说,其内部的 mode 只能增加不能删除。

苹果公开提供的 Mode 有两个:kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode,你可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。

同时苹果还提供了一个操作 Common 标记的字符串:kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes),你可以用这个字符串来操作 Common Items,或标记一个 Mode 为 "Common"。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。

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:

RunLoop_1

其内部代码整理如下 (太长了不想看可以直接跳过去,后面会有说明):

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。
RunLoop_3

苹果官方将整个系统大致划分为上述4个层次:
应用层包括用户能接触到的图形应用,例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard 等。
应用框架层即开发人员接触到的 Cocoa 等框架。
核心框架层包括各种核心框架、OpenGL 等内容。
Darwin 即操作系统的核心,包括系统内核、驱动、Shell 等内容,这一层是开源的,其所有源码都可以在 opensource.apple.com 里找到。

我们在深入看一下 Darwin 这个核心的架构:
RunLoop_4

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 <mach/message.h> 头文件的,很简单:

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 local_port 和目标端口 remote_port,
发送和接受消息是通过同一个 API 进行的,其 option 标记了消息传递的方向:

为了实现消息的发送和接收,mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap),即函数mach_msg_trap(),陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制,切换到内核态;内核态中内核实现的 mach_msg() 函数会完成实际的工作,如下图:
RunLoop_5

这些概念可以参考维基百科: System_callTrap_(computing)

RunLoop 的核心就是一个 mach_msg() (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 mach_msg_trap() 这个地方。

关于具体的如何利用 mach port 发送信息,可以看看 NSHipster 这一篇文章,或者这里的中文翻译 。

关于Mach的历史可以看看这篇很有趣的文章:Mac OS X 背后的故事(三)Mach 之父 Avie Tevanian

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:

可以看到,系统默认注册了5个Mode:
1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默认 Mode,通常主线程是在这个 Mode 下运行的。
2. 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。
3. 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。
4: GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode,通常用不到。
5: 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:

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。

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。

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。

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:

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,这个稍后我会再单独写一页博客来分析。

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。

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 dispatch_async(dispatch_get_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。

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 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。

RunLoop_network

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。

RunLoop 的实际应用举例

AFNetworking

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:

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。

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。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架,其原理大致如下:

UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿,这类任务通常分为3类:排版,绘制,UI对象操作。

排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子式图的排版等操作。
绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText)、图片绘制 (例如预先解压)、元素绘制 (Quartz)等操作。
UI对象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。

其中前两类操作可以通过各种方法扔到后台线程执行,而最后一类操作只能在主线程完成,并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果 (例如TextView创建时可能需要提前计算出文本的大小)。ASDK 所做的,就是尽量将能放入后台的任务放入后台,不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。

为此,ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode 的对象,并在内部封装了 UIView/CALayer,它具有和 UIView/CALayer 相似的属性,例如 frame、backgroundColor等。所有这些属性都可以在后台线程更改,开发者可以只通过 Node 来操作其内部的 UIView/CALayer,这样就可以将排版和绘制放入了后台线程。但是无论怎么操作,这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式,实现了一套类似的界面更新的机制:即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer,监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件,在收到回调时,遍历所有之前放入队列的待处理的任务,然后一一执行。
具体的代码可以看这里:_ASAsyncTransactionGroup


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