iOS 多线程：「RunLoop」详尽总结

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2018-03-07

RunLoop 详尽总结，说明 CFRunLoopRef、Mode、Source、Timer、Observer 等概念及常见应用场景。

本文用来介绍 iOS 多线程中，RunLoop 的相关知识。主要包括如下内容：
RunLoop 简介
RunLoop 相关类
RunLoop 原理
RunLoop 实战应用
文中 Demo 地址：YSC-RunLoopDemo

1. RunLoop 简介

1.1 什么是 RunLoop？

可以理解为字面意思：Run 表示运行，Loop 表示循环。结合在一起就是运行的循环的意思。哈哈，我更愿意翻译为「跑圈」。直观理解就像是不停的跑圈。

RunLoop 实际上是一个对象，这个对象在循环中用来处理程序运行过程中出现的各种事件（比如说触摸事件、UI 刷新事件、定时器事件、Selector 事件），从而保持程序的持续运行；而且在没有事件处理的时候，会进入睡眠模式，从而节省 CPU 资源，提高程序性能。

1.2 RunLoop 和线程

RunLoop 和线程是息息相关的，我们知道线程的作用是用来执行特定的一个或多个任务，但是在默认情况下，线程执行完之后就会退出，就不能再执行任务了。这时我们就需要采用一种方式来让线程能够处理任务，并不退出。所以，我们就有了 RunLoop。

一条线程对应一个 RunLoop 对象，每条线程都有唯一一个与之对应的 RunLoop 对象。
我们只能在当前线程中操作当前线程的 RunLoop，而不能去操作其他线程的 RunLoop。
RunLoop 对象在第一次获取 RunLoop 时创建，销毁则是在线程结束的时候。
主线程的 RunLoop 对象系统自动帮助我们创建好了（原理如下），而子线程的 RunLoop 对象需要我们主动创建。

1.3 默认情况下主线程的 RunLoop 原理

我们在启动一个 iOS 程序的时候，系统会调用创建项目时自动生成的 main.m 的文件。main.m 文件如下所示：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

其中UIApplicationMain函数内部帮我们开启了主线程的 RunLoop，UIApplicationMain内部拥有一个无线循环的代码。上边的代码中开启 RunLoop 的过程可以简单的理解为如下代码：

int main(int argc, char * argv[]) {        
    BOOL running = YES;
    do {
        // 执行各种任务，处理各种事件
        // ......
    } while (running);

    return 0;
}

从上边可看出，程序一直在 do-while 循环中执行，所以 UIApplicationMain 函数一直没有返回，我们在运行程序之后程序不会马上退出，会保持持续运行状态。

下图是苹果官方给出的 RunLoop 模型图。

从上图中可以看出，RunLoop 就是线程中的一个循环，RunLoop 在循环中会不断检测，通过 Input sources（输入源）和 Timer sources（定时源）两种来源等待接受事件；然后对接受到的事件通知线程进行处理，并在没有事件的时候进行休息。

2. RunLoop 相关类

下面我们来了解一下 Core Foundation 框架下关于 RunLoop 的 5 个类，只有弄懂这几个类的含义，我们才能深入了解 RunLoop 运行机制。

CFRunLoopRef：代表 RunLoop 的对象
CFRunLoopModeRef：RunLoop 的运行模式
CFRunLoopSourceRef：就是 RunLoop 模型图中提到的输入源/事件源
CFRunLoopTimerRef：就是 RunLoop 模型图中提到的定时源
CFRunLoopObserverRef：观察者，能够监听 RunLoop 的状态改变

下边详细讲解下几种类的具体含义和关系。

先来看一张表示这 5 个类的关系图（来源：https://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/）。

接着来讲解这 5 个类的相互关系（来源：https://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/），这篇文章总结的特别好，就拿来参考一下，有兴趣的朋友可以去看看，写的很好。

一个 RunLoop 对象（CFRunLoopRef）中包含若干个运行模式（CFRunLoopModeRef）。而每一个运行模式下又包含若干个输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef）。

每次 RunLoop 启动时，只能指定其中一个运行模式（CFRunLoopModeRef），这个运行模式（CFRunLoopModeRef）被称作 CurrentMode。
如果需要切换运行模式（CFRunLoopModeRef），只能退出 Loop，再重新指定一个运行模式（CFRunLoopModeRef）进入。
这样做主要是为了分隔开不同组的输入源（CFRunLoopSourceRef）、定时源（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef），让其互不影响。

下边我们来详细讲解下这五个类：

2.1 CFRunLoopRef

CFRunLoopRef 就是 Core Foundation 框架下 RunLoop 对象类。我们可通过以下方式来获取 RunLoop 对象：

Core Foundation
- CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的 RunLoop 对象
- CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的 RunLoop 对象

当然，在 Foundation 框架下获取 RunLoop 对象类的方法如下：

Foundation
- [NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的 RunLoop 对象
- [NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的 RunLoop 对象

2.2 CFRunLoopModeRef

系统默认定义了多种运行模式（CFRunLoopModeRef），如下：

kCFRunLoopDefaultMode：App 的默认运行模式，通常主线程是在这个运行模式下运行
UITrackingRunLoopMode：跟踪用户交互事件（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：接受系统内部事件，通常用不到
kCFRunLoopCommonModes：伪模式，不是一种真正的运行模式（后边会用到）

其中kCFRunLoopDefaultMode、UITrackingRunLoopMode、kCFRunLoopCommonModes是我们开发中需要用到的模式，具体使用方法我们在 2.3 CFRunLoopTimerRef 中结合 CFRunLoopTimerRef 来演示说明。

2.3 CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopTimerRef 是定时源（RunLoop 模型图中提到过），理解为基于时间的触发器，基本上就是 NSTimer（哈哈，这个理解就简单了吧）。

下面我们来演示下 CFRunLoopModeRef 和 CFRunLoopTimerRef 结合的使用用法，从而加深理解。

首先我们新建一个 iOS 项目，在 Main.storyboard 中拖入一个 Text View。
在 ViewController.m 文件中加入以下代码，Demo中请调用[self ShowDemo1];来演示。

 - (void)viewDidLoad {
     [super viewDidLoad];
 
     // 定义一个定时器，约定两秒之后调用 self 的 run 方法
     NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];
 
     // 将定时器添加到当前 RunLoop 的 NSDefaultRunLoopMode 下
     [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
 }
 
 - (void)run
 {
     NSLog(@"---run");
 }

然后运行，这时候我们发现如果我们不对模拟器进行任何操作的话，定时器会稳定的每隔 2 秒调用 run 方法打印。
但是当我们拖动 Text View 滚动时，我们发现：run 方法不打印了，也就是说 NSTimer 不工作了。而当我们松开鼠标的时候，NSTimer 就又开始正常工作了。

这是因为：

当我们不做任何操作的时候，RunLoop 处于 NSDefaultRunLoopMode 下。
- 而当我们拖动 Text View 的时候，RunLoop 就结束 NSDefaultRunLoopMode，切换到了 UITrackingRunLoopMode 模式下，这个模式下没有添加 NSTimer，所以我们的 NSTimer 就不工作了。
- 但当我们松开鼠标的时候，RunLoop 就结束 UITrackingRunLoopMode 模式，又切换回 NSDefaultRunLoopMode 模式，所以 NSTimer 就又开始正常工作了。

你可以试着将上述代码中的[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];语句换为[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];，也就是将定时器添加到当前 RunLoop 的 UITrackingRunLoopMode 下，你就会发现定时器只会在拖动 Text View 的模式下工作，而不做操作的时候定时器就不工作。

那难道我们就不能在这两种模式下让 NSTimer 都能正常工作吗？

当然可以，这就用到了我们之前说过的伪模式（kCFRunLoopCommonModes），这其实不是一种真实的模式，而是一种标记模式，意思就是可以在打上 Common Modes 标记的模式下运行。

那么哪些模式被标记上了 Common Modes 呢？

NSDefaultRunLoopMode 和 UITrackingRunLoopMode。

所以我们只要我们将 NSTimer 添加到当前 RunLoop 的 kCFRunLoopCommonModes（Foundation 框架下为 NSRunLoopCommonModes）下，我们就可以让 NSTimer 在不做操作和拖动 Text View 两种情况下愉快的正常工作了。

具体做法就是讲添加语句改为[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

既然讲到了 NSTimer，这里顺便讲下 NSTimer 中的scheduledTimerWithTimeInterval方法和 RunLoop 的关系。添加下面的代码：

[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];

这句代码调用了 scheduledTimer 返回的定时器，NSTimer 会自动被加入到了 RunLoop 的 NSDefaultRunLoopMode 模式下。这句代码相当于下面两句代码：

NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(run) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

2.4 CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef 是事件源（RunLoop 模型图中提到过），CFRunLoopSourceRef 有两种分类方法。

第一种按照官方文档来分类（就像 RunLoop 模型图中那样）：
- Port-Based Sources（基于端口）
- Custom Input Sources（自定义）
- Cocoa Perform Selector Sources
第二种按照函数调用栈来分类：
- Source0 ：非基于 Port
- Source1：基于 Port，通过内核和其他线程通信，接收、分发系统事件

这两种分类方式其实没有区别，只不过第一种是通过官方理论来分类，第二种是在实际应用中通过调用函数来分类。

下边我们举个例子大致来了解一下函数调用栈和 Source。

在我们的项目中的 Main.storyboard 中添加一个 Button 按钮，并添加点击动作。
然后在点击动作的代码中加入一句输出语句，并打上断点，如下图所示：

然后运行程序，并点击按钮。
然后在项目中单击下下图红色部分。

可以看到如下图所示就是点击事件产生的函数调用栈。

所以点击事件是这样来的：

首先程序启动，调用 16 行的 main 函数，main 函数调用 15 行 UIApplicationMain 函数，然后一直往上调用函数，最终调用到 0 行的 BtnClick 函数，即点击函数。
同时我们可以看到 11 行中有 Sources0，也就是说我们点击事件是属于 Sources0 函数的，点击事件就是在 Sources0 中处理的。
而至于 Sources1，则是用来接收、分发系统事件，然后再分发到 Sources0 中处理的。

2.5 CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者，用来监听 RunLoop 的状态改变

CFRunLoopObserverRef 可以监听的状态改变有以下几种：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),               // 即将进入 Loop：1
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),        // 即将处理 Timer：2    
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),       // 即将处理 Source：4
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),       // 即将进入休眠：32
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),        // 即将从休眠中唤醒：64
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),                // 即将从 Loop 中退出：128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU       // 监听全部状态改变  
};

下边我们通过代码来监听下 RunLoop 中的状态改变。

在 ViewController.m 中添加如下代码，Demo中请调用[self showDemo2];方法。

 - (void)viewDidLoad {
     [super viewDidLoad];

     // 创建观察者
     CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
         NSLog(@"监听到 RunLoop 发生改变---%zd",activity);
     });

     // 添加观察者到当前 RunLoop 中
     CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);

     // 释放 observer，最后添加完需要释放掉
     CFRelease(observer);
 }

然后运行，看下打印结果，如下图。

可以看到 RunLoop 的状态在不断的改变，最终变成了状态 32，也就是即将进入睡眠状态，说明 RunLoop 之后就会进入睡眠状态。

3. RunLoop 原理

好了，五个类都讲解完了，下边开始放大招了。这下我们就可以来理解 RunLoop 的运行逻辑了。

下边上一张之前提到的文章中博主提供的运行逻辑图（来源：https://blog.ibireme.com/2015/05/18/runloop/）

这张图对于我们理解 RunLoop 来说太有帮助了，下边我们可以来说下官方文档给我们的 RunLoop 逻辑。

在每次运行开启 RunLoop 的时候，所在线程的 RunLoop 会自动处理之前未处理的事件，并且通知相关的观察者。

具体的顺序如下：

通知观察者 RunLoop 已经启动
通知观察者即将要开始的定时器
通知观察者任何即将启动的非基于端口的源
启动任何准备好的非基于端口的源
如果基于端口的源准备好并处于等待状态，立即启动；并进入步骤 9
通知观察者线程进入休眠状态
将线程置于休眠知道任一下面的事件发生：
- 某一事件到达基于端口的源
- 定时器启动
- RunLoop 设置的时间已经超时
- RunLoop 被显示唤醒
通知观察者线程将被唤醒
处理未处理的事件
- 如果用户定义的定时器启动，处理定时器事件并重启 RunLoop。进入步骤 2
- 如果输入源启动，传递相应的消息
- 如果 RunLoop 被显示唤醒而且时间还没超时，重启 RunLoop。进入步骤 2
通知观察者 RunLoop 结束。

4. RunLoop 实战应用

哈哈，讲了这么多云里雾里的原理知识，下边终于到了实战应用环节。

光弄懂是没啥用的，能够实战应用才是硬道理。下面讲解一下 RunLoop 的几种应用。

4.1 NSTimer 的使用

NSTimer 的使用方法在讲解CFRunLoopTimerRef类的时候详细讲解过，具体参考上边 2.3 CFRunLoopTimerRef。

4.2 ImageView 推迟显示

有时候，我们会遇到这种情况：当界面中含有 UITableView，而且每个 UITableViewCell 里边都有图片。这时候当我们滚动 UITableView 的时候，如果有一堆的图片需要显示，那么可能会出现卡顿的现象。

怎么解决这个问题呢？

这时候，我们应该推迟图片的显示，也就是 ImageView 推迟显示图片。有两种方法：

4.2.1 监听 UIScrollView 的滚动

因为 UITableView 继承自 UIScrollView，所以我们可以通过监听 UIScrollView 的滚动，实现 UIScrollView 相关 delegate 即可。

4.2.2 利用 PerformSelector 设置当前线程的 RunLoop 的运行模式

利用performSelector方法为 UIImageView 调用setImage:方法，并利用inModes将其设置为 RunLoop 下 NSDefaultRunLoopMode 运行模式。代码如下：

[self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"tupian"] afterDelay:4.0 inModes:NSDefaultRunLoopMode];

下边利用 Demo 演示一下该方法。

在项目中的 Main.storyboard 中添加一个 UIImageView，并添加属性，并简单添加一下约束（不然无法显示）如下图所示。

在项目中拖入一张图片，比如下图。

然后我们在touchesBegan方法中添加下面的代码，在Demo中请在touchesBegan中调用[self showDemo3];方法。

 - (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
 {
     [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"tupian"] afterDelay:4.0 inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
 }

运行程序，点击一下屏幕，然后拖动 UIText View，拖动 4 秒以上，发现过了 4 秒之后，UIImageView 还没有显示图片，当我们松开的时候，则显示图片，效果如下：

这样我们就实现了在拖动完之后，在延迟显示 UIImageView。

4.3 后台常驻线程（很常用）

我们在开发应用程序的过程中，如果后台操作特别频繁，经常会在子线程做一些耗时操作（下载文件、后台播放音乐等），我们最好能让这条线程永远常驻内存。

那么怎么做呢？

添加一条用于常驻内存的强引用的子线程，在该线程的 RunLoop 下添加一个 Sources，开启 RunLoop。

具体实现过程如下：

在项目的 ViewController.m 中添加一条强引用的 thread 线程属性，如下图：

在 viewDidLoad 中创建线程 self.thread，使线程启动并执行 run1 方法，代码如下。在Demo中，请在 viewDidLoad 调用[self showDemo4];方法。

 - (void)viewDidLoad {
     [super viewDidLoad];

     // 创建线程，并调用 run1 方法执行任务
     self.thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run1) object:nil];
     // 开启线程
     [self.thread start];    
 }

 - (void) run1
 {
     // 这里写任务
     NSLog(@"----run1-----");

     // 添加下边两句代码，就可以开启 RunLoop，之后 self.thread 就变成了常驻线程，可随时添加任务，并交于 RunLoop 处理
     [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:[NSPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
     [[NSRunLoop currentRunLoop] run];

     // 测试是否开启了 RunLoop，如果开启 RunLoop，则来不了这里，因为 RunLoop 开启了循环。
     NSLog(@"未开启 RunLoop");
 }

运行之后发现打印了----run1-----，而未开启 RunLoop则未打印。

这时，我们就开启了一条常驻线程，下边我们来试着添加其他任务，除了之前创建的时候调用了 run1 方法，我们另外在点击的时候调用 run2 方法。

那么，我们在 touchesBegan 中调用 PerformSelector，从而实现在点击屏幕的时候调用 run2 方法。Demo 地址。具体代码如下：

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{   
    // 利用 performSelector，在 self.thread 的线程中调用 run2 方法执行任务
    [self performSelector:@selector(run2) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:NO];
}

- (void) run2
{
    NSLog(@"----run2------");
}

经过运行测试，除了之前打印的----run1-----，每当我们点击屏幕，都能调用----run2------。这样我们就实现了常驻线程的需求。