iOS底层原理系列06-RunLoop原理与应用实践

RunLoop是iOS开发中的核心机制，它使线程能够在没有工作时进入休眠状态，并在有新任务时被唤醒。本文将深入探讨RunLoop的工作原理及其在实际开发中的应用。

1. RunLoop基础结构

1.1 RunLoop对象模型

RunLoop是一个对象，用于处理来自不同源的输入事件，并调度这些事件到对应的处理程序。在iOS中，有两套API可以访问RunLoop：

• Foundation框架中的NSRunLoop类
• Core Foundation框架中的CFRunLoopRef类型

这两者是紧密关联的，NSRunLoop实际上是对CFRunLoopRef的封装，提供了面向对象的接口。

每个线程都有且只有一个RunLoop对象与之关联，主线程的RunLoop在应用启动时自动创建并运行，而子线程的RunLoop需要显式创建和运行。

// 获取当前线程的RunLoop
NSRunLoop *currentRunLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

// 获取主线程的RunLoop
NSRunLoop *mainRunLoop = [NSRunLoop mainRunLoop];

// Core Foundation中的等效调用
CFRunLoopRef currentCFRunLoop = CFRunLoopGetCurrent();
CFRunLoopRef mainCFRunLoop = CFRunLoopGetMain();

1.2 事件源分类与处理

RunLoop处理的事件源分为三种类型：

1. Source0：非基于端口的输入源，需要手动触发。主要包括：
   • 用户触摸事件
   • 界面刷新事件
   • 自定义事件
2. Source1：基于端口的输入源，可以自动触发。包括：
   • 系统事件
   • 进程间通信
   • Mach端口事件
3. Timer：基于时间的触发源，包括：
   • NSTimer
   • CADisplayLink
   • performSelector:withObject:afterDelay:

1.3 运行模式与切换机制

RunLoop可以在不同的模式下运行，每种模式定义了一组事件源和定时器的集合。RunLoop在某一时刻只能运行在一种模式下，如果想要切换模式，只能退出当前RunLoop，再以新模式重新启动。

常见的RunLoop模式包括：

• kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode)：默认模式，大多数情况下使用。
• UITrackingRunLoopMode：用于跟踪UI事件（如滚动）时的模式。
• kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)：一个模式集合，包含Default和Tracking模式。

// 在默认模式下添加定时器
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(timerFired:) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

// 在UI跟踪模式下添加
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

// 在Common模式下添加（同时在Default和Tracking模式下有效）
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

当界面滚动时，RunLoop会从NSDefaultRunLoopMode切换到UITrackingRunLoopMode，如果Timer只添加到了NSDefaultRunLoopMode，则在滚动时Timer不会被触发。这就是为什么我们经常使用NSRunLoopCommonModes来确保Timer在滚动时也能正常工作。

1.4 底层数据结构剖析

RunLoop的核心是其内部数据结构的设计。以下是Core Foundation中的RunLoop相关数据结构的简化版本：

struct __CFRunLoop {
   
   
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    __CFPort _wakeUpPort;
    Boolean _stopped;
    pthread_t _pthread;
    CFMutableSetRef _commonModes;
    CFMutableSetRef _commonModeItems;
    CFRunLoopModeRef _currentMode;
    CFMutableSetRef _modes;
};

struct __CFRunLoopMode {
   
   
    CFRuntimeBase _base;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFStringRef _name;
    Boolean _stopped;
    CFMutableSetRef _sources0;
    CFMutableSetRef _sources1;
    CFMutableArrayRef _observers;
    CFMutableArrayRef _timers;
};

struct __CFRunLoopSource {
   
   
    CFRuntimeBase _base;
    uint32_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFIndex _order;
    CFMutableBagRef _runLoops;
    union {
   
   
        struct {
   
   
            void (*perform)(void *info);
            void *info;
        } version0;
        struct {
   
   
            void *(*retain)(void *info);
            void (*release)(void *info);
            void (*perform)(void *info);
            void *info;
        } version1;
    } _context;
};

struct __CFRunLoopTimer {
   
   
    CFRuntimeBase _base;
    uint16_t _bits;
    pthread_mutex_t _lock;
    CFRunLoopRef _runLoop;
    CFMutableSetRef _rlModes;
    CFAbsoluteTime _nextFireDate;
    CFTimeInterval _interval;
    CFTimeInterval _tolerance;
    uint64_t _fireTSR;
    CFIndex _order;
    void (*_callout)(CFRunLoopTimerRef timer, void *info);
    void *_context;
};

2. RunLoop与线程

2.1 主线程RunLoop特性

主线程的RunLoop具有一些特殊的特性：

1. 自动创建和启动：主线程的RunLoop在应用启动时自动创建并启动，不需要手动干预。
2. 处理UI事件：主线程RunLoop负责处理所有的UI事件，包括触摸、手势等。
3. 与应用生命周期绑定：主线程RunLoop会一直运行，直到应用终止。
4. 集成系统框架：主线程RunLoop集成了UIKit、CoreAnimation等框架的事件处理。

// 主线程RunLoop已自动启动，不需要手动启动
NSRunLoop *mainRunLoop = [NSRunLoop mainRunLoop];

// 可以添加额外的输入源或定时器
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(onTimer:) userInfo:nil repeats:YES];
[mainRunLoop addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

2.2 RunLoop线程管理机制

RunLoop与线程之间存在着密切的关系：

1. 一对一关系：每个线程都有且只有一个RunLoop对象，且不能共享。
2. 懒创建：除主线程外，其他线程的RunLoop需要显式获取才会被创建。
3. 自动销毁：RunLoop会随着线程的结束而销毁。
4. 线程保活：通过启动RunLoop可以保持线程不退出，实现线程常驻。

// 创建一个常驻线程
+ (void)createPermanentThread {
   
   
    static NSThread *permanentThread = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
   
   
        permanentThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadEntryPoint) object:nil];
        [permanentThread setName:@"PermanentThread"];
        [permanentThread start];
    });
}

// 线程入口函数
+ (void)threadEntryPoint {
   
   
    @autoreleasepool {
   
   
        NSRunLoop