谜一样的 Runloop(1/2)

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希望通过本文的介绍，大家能更清晰地认识 runloop。本文是 runloop 系列的第一篇文章，主要介绍 runloop 的基本概念及其与线程的关系，并试图通过pseudo-code的方式探索 runloop 的内部实现机制。

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Overview

刚开始接触 iOS 时，block 和 runloop 让我望而生畏。block 那神奇的语法以及与外部变量纠缠不清的关系，还有 retain cycle 这个恶魔，短时间确实难以接受！runloop 更是谜一样的虚无飘渺，又似乎若隐若现，仿佛能感受到它的存在，但始终又不得其真面目！

Apple 官方给 run loop 的定义：run loop 是线程的基础支撑，是循环处理事件的机制，一个具体的 run loop 就是一个事件处理循环。

run loop 的目的是使线程在没有事情可做时进入休眠状态，避免 CPU 空转。

Run loops are part of the fundamental infrastructure associated with threads. A run loop is an event processing loop that you use to schedule work and coordinate the receipt of incoming events. The purpose of a run loop is to keep your thread busy when there is work to do and put your thread to sleep when there is none.

Runloop Modes

简单地说，runloop mode 是事件源的集合 + runloop观察者的集合。runloop 每次都运行在某个特定的 mode 上。

之所以要引入 mode 的概念，是希望 runloop 在监听过程中过滤掉不关心的事件源，只专注于某些特定的事件。

Cocoa and Core Foundation已经为我们预定义了若干 mode，而我们也可以自定义 mode。

如果某个 input source 所属的 mode 不是当前监听的 mode，那其产生的所有事件都将被 hold 住，直到 runloop 运行在与其匹配的 mode 上。

注意：当有 UI 滑动事件时，系统会将main runloop切换到NSEventTrackingRunLoopMode，以限定此时的事件源，确保滑动的流畅性。

同时，在默认情况下NSRunLoopCommonModes包含NSEventTrackingRunLoopMode，也就是说与NSRunLoopCommonModes关联的事件源也与NSEventTrackingRunLoopMode关联。

而此时，如果有子线程想通过performSelecorOnMainThread...或dispatch_async(dispatch_get_main_queue(),^{})在主线程上执行某 selector，默认情况下上述两种方式产生的事件是关联到NSRunLoopCommonModes，因此在 UI 滑动时也会响应该事件并执行指定的 selector，从而影响滑动的流畅性。

为了避免此问题，可以封装上述接口，使其指定的 selector 运行在 main runloop 的其他 mode 上，如：NSDefaultRunLoopMode。

Runloop and Thread

如果要问runloop 与 thread 是什么关系？

答：runloop 是 thread 不断跳动的心脏！

每个 thread 都有自己的 runloop，可以通过NSRunLoop的类方法currentRunLoop获取当前线程的 runloop。但只有 main thread 的 runloop 默认是开启的，其他线程如果希望持续存活下去，就需要手动开启runloop。

当线程没有开启 runloop 时，其生命周期将随其 main 函数的结束而终结；当开启 runloop 时，线程会进入休眠状态，直到相应的事件到来。形象地说前者生命周期是条直线，后者是个圆。

那么什么情况下需要开启线程的 runloop 呢？(当然，这里讨论的对象是子线程)

基本原则是：线程需要处理异步事件。

如果线程只是用来处理同步任务，没必要开启 runloop，也就是说 runloop 一定是与异步事件相关的！

具体来讲大概以下几种情况需要开启 runloop：

  • 需要通过端口或自定义输入源与其他线程通讯；
  • 在线程中需要使用定时器；
  • 在线程上使用performSelector系列方法；
  • 需要线程周期性地执行一些任务。

至于如何开启子线程的 runloop 就不过多的讲了，可以参考一下 Apple 的官方文档:Threading Programming Guide

需要注意的是，在开启 runloop 前，至少要绑定一个事件源到 runloop 上，否则 runloop 将直接退出。

事件源大概有四类：

  • Port-Based Sources
  • Custom Input Sources
  • Cocoa Perform Selector Sources
  • Timer Sources

严格来讲，前三种事件源自来线程外部，Apple 将其称之为 input sources，timer 是来自线程内部的，与前三者有所区别。

对于上述事件源有几个要注意的点：

  • 在子线程上执行 performSelector 时，子线程需要开启 runloop，不然selector将会入队，直到 runloop 启动才会被执行；
  • 所有入队的 perform selector 将会在一次 runloop 中全部被处理，而不是每次 runloop 处理一个 selector；
  • 当 selector 执行后，该 perform source 会被从runloop 上移除掉；
  • 因 timer 触发的事件不会使 runloop 退出，(port-based input source even会使 runloop 退出)；
  • 当 timer 触发时 runloop 正在处理其他事件，timer handler需要等到下一个 loop 才会被执行；
  • 如果 runloop 没有启动，timer 永远不会触发。

线程、runloop 以及 event source 之间的关系(来自)：

NSRunLoop Internals

NSRunLoop向外提供了多个接口可以启动 runloop，详细描述如下表所示：

可以看到，run以及runUntilDate:内部都是通过调用runMode:beforeDate:函数实现的。

对于熟悉服务器网络编程的同学来说，后台服务器其实就是一个大 runloop，其主要通过 select、pool 或 epool 等方式实现这个 runloop。以select为例，系统内核不断轮询该select关注的 fd，当有网络事件需要处理时，唤醒服务器进程处理事件，否则不断轮询。

Mike Ash大神通过select，以pseudo-code的方式描述了runMode:beforeDate:的实现，同时也形象地说明了 runloop 的实质：

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- (BOOL)runMode:(NSString *)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate
{
   if(![self hasSourcesOrTimersForMode:mode])
      return NO;
        
   // with timer support, this code has to loop until an input source fires
   BOOL didFireInputSource = NO;
   while(!didFireInputSource)
   {
       fd_set fdset;
       FD_ZERO(&fdset);
       
       for(inputSource in [_inputSources objectForKey: mode])
           FD_SET([inputSource fileDescriptor], &fdset);
       
       // the timeout needs to be set from the limitDateand from the list of timers
       // start with the limitDate
       NSTimeInterval timeout = [limitDate timeIntervalSinceNow];
       
       // now run through the list of timers and set the
       // timeout to the smallest one found in them and
       // in the limitDate
       for(timer in [_timerSources objectForKey: mode])
           timeout = MIN(timeout, [[timer fireDate] timeIntervalSinceNow]);
       
       // now run select
       select(fdset, timeout);
       
       // process input sources first (this choice is arbitrary)
       for(inputSource in [[[_inputSources objectForKey: mode] copy] autorelease])
           if(FD_ISSET([inputSource fileDescrptor], &fdset))
           {
               didFireInputSource = YES;
               [inputSource fileDescriptorIsReady];
           }
       
       // now process timers
       // responsibility for updating fireDate for repeating timers
       // and for removing the timer from the runloop for non-repeating timers
       // rests in the timer class, not in the runloop
       for(timer in [[[_timerSources objectForKey: mode] copy] autorelease])
           if([[timer fireDate] timeIntervalSinceNow] <= 0)
               [timer fire];
       
       // see if we timed out, if so, abort!
       // this is checked at the end to ensure that timers and inputs are
       // always processed at least once before returning
       if([limitDate timeIntervalSinceNow] < 0)
           break;
   }
   
   return YES;
}

在上述runMode:beforeDate:的pseudo-code中：

  • 第3行，首先判断是否有 input source 或 timer 绑定到 runloop 的指定 mode 下；
  • 第13行，用指定 mode 下的 inputsource 设置 fdset；
  • 第23~24行，找出此次轮询的最小过期时间；
  • 第27行，启动 runloop；
  • 第30行，select 返回，表明有 inputsource 到达或timer fire；
  • 30行以下代码用于处理到达的事件，需要注意的时：如果 select 是因为 inputsource 到达而返回的，第33行会将didFireInputSource设为 YES，从而导致runMode:beforeDate:退出，而 timer fire 时没有设该标志位，也就是所谓的 timer fire不会导致 runloop 退出。

是的，runloop 其实就这么简单。当然，由于没有 runloop 的源码，其内部真正如何实现不得而知。但总体思路应该大同小异！