探索Objective-C底层 - Runloop的应用

引言

在iOS开发中，Runloop是一个强大且基础的机制，它为应用程序提供了事件处理、线程管理和任务调度等功能。理解Runloop的应用场景不仅能让我们更好地优化代码性能，还能解决许多实际开发中遇到的难题。本文将深入探讨Runloop在不同场景下的应用，并结合具体例子进行详细说明。

一、Runloop 基础回顾

Runloop 本质上是一个事件循环机制，它会使线程在没有任务时进入休眠状态，有任务时被唤醒并处理任务。每个线程都有一个与之关联的 Runloop，主线程的 Runloop 会在应用启动时自动创建并启动，而子线程的 Runloop 需要手动启动。Runloop 有多种运行模式，不同模式下可以处理不同类型的事件，常见的模式有 kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode 和 kCFRunLoopCommonModes。

二、Runloop 的应用场景

2.1 定时器的使用

2.1.1 基本定时器

NSTimer 是 iOS 中常用的定时器类，它依赖于 Runloop 来触发事件。当我们创建一个 NSTimer 并将其添加到 Runloop 中时，Runloop 会在指定的时间间隔触发定时器的回调。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface TimerExample : NSObject
@end

@implementation TimerExample

- (void)startTimer {
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(timerFired:) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
}

- (void)timerFired:(NSTimer *)timer {
    NSLog(@"Timer fired at %@", [NSDate date]);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        TimerExample *example = [[TimerExample alloc] init];
        [example startTimer];
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个每隔 1 秒触发一次的定时器，并将其添加到当前 Runloop 的 NSRunLoopCommonModes 中。然后启动 Runloop，这样定时器就会按照设定的时间间隔触发回调。

2.1.2 解决定时器在滚动时失效问题

当我们在 UITableView 或 UIScrollView 滚动时，默认模式下的定时器会暂停触发，因为滚动时 Runloop 会切换到 UITrackingRunLoopMode。为了解决这个问题，我们可以将定时器添加到 NSRunLoopCommonModes 中，这样定时器在滚动时也能正常触发。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(timerFired:) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
}

- (void)timerFired:(NSTimer *)timer {
    NSLog(@"Timer fired during scrolling");
}

2.2 线程保活

在某些情况下，我们需要让子线程一直存活，以便随时处理一些异步任务。这时可以利用 Runloop 来实现线程保活。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface ThreadKeepAliveExample : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSThread *thread;
@end

@implementation ThreadKeepAliveExample

- (void)startThread {
    self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadEntryPoint) object:nil];
    [self.thread start];
}

- (void)threadEntryPoint {
    @autoreleasepool {
        // 注册一个端口，防止 Runloop 因没有源而退出
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        // 启动 Runloop
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
}

- (void)performTaskOnThread {
    [self performSelector:@selector(taskOnThread) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}

- (void)taskOnThread {
    NSLog(@"Task is being performed on the kept-alive thread");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ThreadKeepAliveExample *example = [[ThreadKeepAliveExample alloc] init];
        [example startThread];
        [example performTaskOnThread];
        sleep(5);
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个子线程，并在子线程的入口方法中启动了 Runloop。为了防止 Runloop 因没有源而退出，我们注册了一个 NSMachPort。这样，子线程就会一直存活，我们可以随时在该线程上执行任务。

2.3 异步绘制

在 iOS 开发中，UI 绘制通常是在主线程上进行的，如果绘制任务比较复杂，可能会导致界面卡顿。我们可以利用 Runloop 的特性，将一些耗时的绘制任务放到子线程中异步执行，然后在合适的时机将绘制结果更新到 UI 上。

#import <UIKit/UIKit.h>

@interface AsyncDrawingView : UIView
@end

@implementation AsyncDrawingView

- (void)drawRect:(CGRect)rect {
    // 模拟耗时的绘制任务
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(self.bounds.size, NO, [UIScreen mainScreen].scale);
        CGContextRef context = UIGraphicsGetCurrentContext();
        // 绘制操作
        CGContextSetFillColorWithColor(context, [UIColor redColor].CGColor);
        CGContextFillRect(context, self.bounds);
        UIImage *image = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
        UIGraphicsEndImageContext();

        // 在主线程更新 UI
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            self.layer.contents = (__bridge id)image.CGImage;
        });
    });
}

@end

在上述代码中，我们在 drawRect: 方法中开启一个异步任务进行绘制，绘制完成后将结果更新到 UI 上。这样可以避免在主线程上进行耗时的绘制操作，提高界面的流畅度。

2.4 网络请求的优化

在进行网络请求时，我们可以利用 Runloop 来管理网络请求的生命周期。例如，当网络请求完成后，我们可以在 Runloop 的合适时机处理响应数据，避免在网络请求回调中进行复杂的操作导致主线程卡顿。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NetworkRequestExample : NSObject
@end

@implementation NetworkRequestExample

- (void)startNetworkRequest {
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"https://example.com"];
    NSURLRequest *request = [NSURLRequest requestWithURL:url];
    NSURLSession *session = [NSURLSession sharedSession];
    NSURLSessionDataTask *task = [session dataTaskWithRequest:request completionHandler:^(NSData * _Nullable data, NSURLResponse * _Nullable response, NSError * _Nullable error) {
        if (error) {
            NSLog(@"Network request error: %@", error.localizedDescription);
        } else {
            // 在 Runloop 的空闲时间处理响应数据
            [[NSRunLoop currentRunLoop] performSelector:@selector(handleResponseData:) withObject:data afterDelay:0 inModes:@[NSRunLoopCommonModes]];
        }
    }];
    [task resume];
}

- (void)handleResponseData:(NSData *)data {
    // 处理响应数据
    NSString *responseString = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"Response: %@", responseString);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NetworkRequestExample *example = [[NetworkRequestExample alloc] init];
        [example startNetworkRequest];
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们在网络请求的回调中使用 performSelector:afterDelay:inModes: 方法将处理响应数据的任务安排到 Runloop 的空闲时间执行，这样可以避免在网络请求回调中进行复杂操作导致主线程卡顿。

2.5 检测卡顿

我们可以利用 Runloop 的状态变化来检测应用是否卡顿。通过监听 Runloop 的 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 状态，计算这两个状态之间的时间间隔，如果时间间隔超过一定阈值，则认为应用出现了卡顿。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <CoreFoundation/CoreFoundation.h>

@interface LagDetectionExample : NSObject
@property (nonatomic, assign) CFRunLoopObserverRef observer;
@property (nonatomic, assign) CFRunLoopActivity activity;
@end

@implementation LagDetectionExample

- (void)startLagDetection {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        CFRunLoopObserverContext context = {0, (__bridge void *)self, NULL, NULL, NULL};
        self.observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, &(void(^)(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity, void *info) {
            LagDetectionExample *example = (__bridge LagDetectionExample *)info;
            example.activity = activity;
        }), &context);
        CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetMain(), self.observer, kCFRunLoopCommonModes);

        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            while (YES) {
                CFRunLoopActivity currentActivity = self.activity;
                if (currentActivity == kCFRunLoopBeforeSources || currentActivity == kCFRunLoopAfterWaiting) {
                    if (CACurrentMediaTime() - self.lastCheckTime > 1.0) {
                        NSLog(@"App is lagging!");
                    }
                    self.lastCheckTime = CACurrentMediaTime();
                }
                usleep(50 * 1000); // 每 50 毫秒检查一次
            }
        });
    });
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LagDetectionExample *example = [[LagDetectionExample alloc] init];
        [example startLagDetection];
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个 CFRunLoopObserver 来监听主线程 Runloop 的状态变化。在一个异步线程中，每隔 50 毫秒检查一次 kCFRunLoopBeforeSources 和 kCFRunLoopAfterWaiting 状态之间的时间间隔，如果超过 1 秒，则认为应用出现了卡顿。

2.6 延迟加载

有时候我们希望某些任务在应用空闲时再执行，这时可以利用 Runloop 的空闲时间来实现延迟加载。

- (void)performDelayedTask {
    [[NSRunLoop currentRunLoop] performSelector:@selector(delayedTask) target:self argument:nil order:0 modes:@[NSRunLoopCommonModes]];
}

- (void)delayedTask {
    NSLog(@"Delayed task is being performed");
}

在上述代码中，我们使用 performSelector:target:argument:order:modes: 方法将任务安排到 Runloop 的空闲时间执行，这样可以避免在应用繁忙时执行该任务，提高应用的响应性能。

2.7 自动释放池管理

在主线程中，Runloop 会自动管理自动释放池。每次 Runloop 循环开始时，会创建一个新的自动释放池，循环结束时，会释放这个自动释放池。在子线程中，我们可以手动管理自动释放池，结合 Runloop 来确保自动释放对象及时释放。

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    @autoreleasepool {
        // 子线程任务
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
    }
});

在上述代码中，我们在子线程中手动创建了一个自动释放池，并启动了 Runloop。这样可以确保在子线程中创建的自动释放对象在 Runloop 循环结束时被释放，避免内存泄漏。

2.8 处理异步回调

在处理异步操作时，我们可以利用 Runloop 来确保回调在合适的线程和时机执行。例如，在使用 GCD 进行异步操作时，我们可以在回调中使用 performSelectorOnMainThread: 方法将任务切换到主线程执行。

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 异步任务
    [NSThread sleepForTimeInterval:2.0];
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(callbackMethod) withObject:nil waitUntilDone:NO];
});

- (void)callbackMethod {
    NSLog(@"Callback method is called on the main thread");
}

在上述代码中，我们在异步任务完成后，使用 performSelectorOnMainThread: 方法将回调方法切换到主线程执行，确保 UI 操作在主线程上进行。

2.9 动画优化

在进行动画操作时，我们可以利用 Runloop 的特性来优化动画的性能。例如，将动画的更新操作安排到 Runloop 的合适时机执行，避免在动画过程中进行不必要的计算。

- (void)startAnimation {
    [UIView animateWithDuration:2.0 animations:^{
        // 动画操作
        self.view.alpha = 0.0;
    } completion:^(BOOL finished) {
        // 动画完成回调
        NSLog(@"Animation finished");
    }];

    // 在 Runloop 的空闲时间更新动画状态
    [[NSRunLoop currentRunLoop] performSelector:@selector(updateAnimationState) withObject:nil afterDelay:0 inModes:@[NSRunLoopCommonModes]];
}

- (void)updateAnimationState {
    // 更新动画状态
    NSLog(@"Updating animation state");
}

在上述代码中，我们在动画开始后，将更新动画状态的任务安排到 Runloop 的空闲时间执行，这样可以避免在动画过程中进行不必要的计算，提高动画的流畅度。

2.10 事件处理优化

当应用需要处理大量的事件时，我们可以利用 Runloop 来优化事件处理的性能。例如，将一些耗时的事件处理任务放到子线程中执行，然后在主线程上更新 UI。

- (void)handleEvent {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        // 耗时的事件处理任务
        [NSThread sleepForTimeInterval:2.0];
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            // 在主线程更新 UI
            self.label.text = @"Event handled";
        });
    });
}

在上述代码中，我们将事件处理任务放到子线程中执行，避免在主线程上进行耗时操作，然后在任务完成后，将更新 UI 的操作切换到主线程上执行。

三、总结

Runloop 在 iOS 开发中有着广泛的应用，通过合理利用 Runloop 的特性，我们可以优化应用的性能，解决卡顿问题，实现线程保活等功能。在实际开发中，我们需要根据具体的需求和场景，灵活运用 Runloop 的各种应用技巧，以提高应用的质量和用户体验。

希望本文能帮助你更好地理解 Runloop 的应用，如果你在开发过程中遇到相关问题，欢迎在评论区留言讨论。

参考资料：

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