探索Objective-C底层 - Runloop的底层原理

引言

在iOS和macOS开发中，Runloop（运行循环）是一个非常重要的概念，它是程序运行的核心机制之一。理解Runloop的底层原理，对于解决诸如界面卡顿、定时器失效、线程保活等问题具有重要意义。本文将深入剖析Runloop的底层实现，带你了解其背后的奥秘。

一、Runloop的基本概念

1.1 定义

Runloop是一种事件处理循环机制，它可以让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，从而避免线程不断地空转消耗CPU资源。在Objective - C中，Runloop由Core Foundation框架提供，对应的核心类是CFRunLoopRef。

1.2 作用

• 保持程序的持续运行：主线程的Runloop会一直运行，保证程序不会在启动后立即退出。
• 处理事件和消息：包括用户的触摸事件、网络请求的响应、定时器的触发等。
• 节省CPU资源：在没有任务时，线程进入休眠状态，降低CPU的使用率。

1.3 与线程的关系

• 一一对应：每个线程都有与之对应的唯一的Runloop对象。
• 按需创建：主线程的Runloop在程序启动时自动创建并启动，而子线程的Runloop默认是没有创建的，只有在第一次调用[NSRunLoop currentRunLoop]时才会创建。
• 生命周期：线程结束时，其对应的Runloop也会被销毁。

二、Runloop的底层数据结构

2.1 CFRunLoop结构体

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struct __CFRunLoop {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;            /* locked for accessing mode list */
    __CFPort _wakeUpPort;            // used for CFRunLoopWakeUp 
    Boolean _unused;
    volatile _per_run_data *_perRunData;              // reset for runs of the run loop
    pthread_t _pthread;
    uint32_t _winthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
    struct _block_item *_blocks_head;
    struct _block_item *_blocks_tail;
    CFAbsoluteTime _runTime;
    CFAbsoluteTime _sleepTime;
    CFTypeRef _counterpart;
};

• _lock：用于保护对模式列表的访问，确保线程安全。
• _wakeUpPort：用于唤醒Runloop的端口。
• _commonModes：存储通用模式的集合。
• _commonModeItems：存储通用模式下的事件源、定时器和观察者。
• _currentMode：当前正在运行的模式。
• _modes：存储所有的运行模式。

2.2 CFRunLoopMode结构体

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struct __CFRunLoopMode {
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;    /* must have the run loop locked before locking this */
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    char _padding[3];
    CFMutableSetRef _sources0;
    CFMutableSetRef _sources1;
    CFMutableArrayRef _observers;
    CFMutableArrayRef _timers;
    CFMutableDictionaryRef _portToV1SourceMap;
    __CFPortSet _portSet;
    CFIndex _observerMask;
#if USE_DISPATCH_SOURCE_FOR_TIMERS
    dispatch_source_t _timerSource;
    dispatch_queue_t _queue;
    Boolean _timerFired; // set to true by the source when a timer has fired
    Boolean _dispatchTimerArmed;
#endif
#if USE_MK_TIMER_TOO
    mach_port_t _timerPort;
    Boolean _mkTimerArmed;
#endif
#if DEPLOYMENT_TARGET_WINDOWS
    DWORD _msgQMask;
    void (*_msgPump)(void);
#endif
    uint64_t _timerSoftDeadline; /* TSR */
    uint64_t _timerHardDeadline; /* TSR */
};

• _name：模式的名称，如kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode等。
• _sources0：存储Source0类型的事件源。
• _sources1：存储Source1类型的事件源。
• _observers：存储观察者对象，用于监听Runloop的状态变化。
• _timers：存储定时器对象。

2.3 事件源（Source）

事件源分为两种类型：

• Source0：非基于端口的事件源，需要手动唤醒Runloop。例如，UIEvent、performSelector:onThread:等。
• Source1：基于端口的事件源，能主动唤醒Runloop。例如，系统事件、Mach port等。

2.4 定时器（Timer）

定时器用于在指定的时间或时间间隔后触发事件。常见的定时器有NSTimer和CADisplayLink。

2.5 观察者（Observer）

观察者用于监听Runloop的状态变化，如进入Runloop、即将处理定时器、即将进入休眠等。可以通过CFRunLoopAddObserver函数添加观察者。

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typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),         // 即将进入Runloop
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),  // 即将处理定时器
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理事件源
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),  // 从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),          // 即将退出Runloop
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU // 所有状态
};

三、Runloop的运行流程

3.1 启动Runloop

在主线程中，Runloop会在程序启动时自动启动。而在子线程中，需要手动启动Runloop。启动Runloop的核心函数是CFRunLoopRunSpecific。

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SInt32 CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopRef rl, CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled);

• rl：要运行的Runloop对象。
• modeName：运行的模式名称。
• seconds：Runloop运行的最长时间。
• returnAfterSourceHandled：处理完一个事件源后是否立即返回。

3.2 完整的运行流程

Runloop的运行流程可以分为以下几个主要步骤：

1. 通知观察者进入Runloop：调用所有注册的观察者的回调函数，通知它们Runloop即将进入。
2. 处理即将到期的定时器：检查所有的定时器，找出即将到期的定时器并触发它们的回调函数。
3. 处理非延迟的performSelector调用：执行所有非延迟的performSelector方法。
4. 处理Source0事件源：检查所有的Source0事件源，如果有准备好的事件，则处理这些事件。
5. 检查Source1事件源：如果没有Source0事件需要处理，则检查是否有Source1事件。如果有Source1事件，则处理该事件并唤醒Runloop。
6. 进入休眠状态：如果没有任何事件需要处理，Runloop会进入休眠状态，等待被唤醒。
7. 被唤醒并处理事件：当有事件发生（如定时器到期、Source1事件触发等）时，Runloop会被唤醒，并处理相应的事件。
8. 通知观察者即将退出Runloop：调用所有注册的观察者的回调函数，通知它们Runloop即将退出。

以下是一个简化的伪代码表示：

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// 启动Runloop
while (true) {
    // 通知观察者进入Runloop
    notifyObservers(kCFRunLoopEntry);

    // 处理即将到期的定时器
    handleTimers();

    // 处理非延迟的performSelector调用
    handleNonDelayedPerformSelectors();

    // 处理Source0事件源
    if (hasReadySource0()) {
        handleSource0();
    } else {
        // 检查Source1事件源
        if (hasSource1()) {
            handleSource1();
            continue;
        }

        // 进入休眠状态
        notifyObservers(kCFRunLoopBeforeWaiting);
        sleep();
        notifyObservers(kCFRunLoopAfterWaiting);
    }

    // 检查是否需要退出Runloop
    if (shouldExit()) {
        notifyObservers(kCFRunLoopExit);
        break;
    }
}

四、Runloop的模式（Mode）

4.1 模式的概念

Runloop的模式是一种隔离机制，不同的模式下可以有不同的事件源、定时器和观察者。Runloop在同一时间只能运行在一种模式下，只有在该模式下注册的事件源、定时器和观察者才会被处理。

4.2 常见的模式

• kCFRunLoopDefaultMode：默认模式，大多数情况下Runloop运行在这个模式下。
• UITrackingRunLoopMode：用于处理UI跟踪事件，如滚动视图的滚动。当用户拖动滚动视图时，Runloop会切换到这个模式。
• kCFRunLoopCommonModes：这不是一个实际的模式，而是一个标记。可以将事件源、定时器和观察者注册到这个标记下，这样它们就可以在多个模式下都能被处理。

4.3 模式切换

Runloop在不同的情况下会切换运行模式。例如，当用户开始拖动滚动视图时，Runloop会从kCFRunLoopDefaultMode切换到UITrackingRunLoopMode，以确保滚动事件能够得到及时处理。当滚动结束后，Runloop又会切换回原来的模式。

五、Runloop与线程的唤醒和休眠

5.1 休眠机制

Runloop在没有任务需要处理时会进入休眠状态，以节省CPU资源。在休眠状态下，线程会释放CPU资源，等待被唤醒。Runloop进入休眠状态的关键是调用mach_msg函数，该函数会使线程进入内核态，等待消息的到来。

5.2 唤醒机制

当有事件发生时，Runloop会被唤醒。唤醒Runloop的方式有多种：

• Source1事件：基于端口的事件源（Source1）可以主动唤醒Runloop。
• 定时器到期：当定时器到期时，会触发相应的回调函数，从而唤醒Runloop。
• 手动唤醒：可以通过调用CFRunLoopWakeUp函数手动唤醒Runloop。

六、Runloop与AutoreleasePool

6.1 主线程的AutoreleasePool

在主线程中，Runloop会自动管理AutoreleasePool。每次Runloop循环开始时，会创建一个新的AutoreleasePool，在循环结束时，会释放这个AutoreleasePool。这样可以确保在一次Runloop循环中创建的自动释放对象在循环结束时被释放。

6.2 子线程的AutoreleasePool

在子线程中，需要手动管理AutoreleasePool。如果在子线程中创建了大量的自动释放对象，而没有及时释放，可能会导致内存泄漏。因此，在子线程中启动Runloop时，通常需要手动创建和释放AutoreleasePool。

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

七、总结

Runloop是Objective - C中一个非常重要的机制，它通过事件循环的方式，让线程在有任务时处理任务，没有任务时进入休眠状态，从而提高了程序的性能和响应能力。深入理解Runloop的底层原理，包括其数据结构、运行流程、模式机制、唤醒和休眠机制以及与AutoreleasePool的关系，对于优化代码性能、解决各种开发中的问题具有重要意义。希望本文能帮助你更好地理解Runloop的底层原理。

参考资料：

• Apple Developer Documentation - Run Loops
• Core Foundation Source Code