iOS开发：RunLoop

RunLoop 是 iOS 系统中非常重要的一个概念，它是事件处理的核心机制之一。在 iOS 应用程序中，每个线程都有一个与之关联的 RunLoop 对象，它主要负责管理这个线程所需要执行的任务、消息和事件，并且在必要时切换线程状态，使得线程可以进入休眠或者唤醒。

什么是 Run Loop

Run Loop 是一个事件处理循环，用于接收和处理来自输入源（如触摸、定时器、网络连接等）的事件。简单来说，它是一个不断循环的过程，直到所有事件都被处理完成或者强制停止。

我们可以将 Run Loop 理解为一个邮递员，不断地检查信箱里是否有新的信件，如果有就派送给相应的收件人，并且在空闲时间里休息一下。

Run Loop 的实现原理

在iOS系统中，每个线程都有一个与之关联的 Run Loop 对象。这个对象维护了该线程需要处理的事件和任务，并且提供了一个接口，用于启动和停止循环。

当我们调用 UIApplicationMain 函数来启动一个应用程序时，系统会自动创建一个主线程（也就是 UI 线程），并在其中创建一个 Run Loop 对象。这个 Run Loop 进入一个无限循环，等待事件的发生。

当事件发生时（比如用户点击了屏幕），系统会将事件放入当前线程的 Run Loop 中，并唤醒 Run Loop，从而开始处理事件。处理完事件后，Run Loop 又会进入休眠状态，等待下一个事件的发生。

RunLoop可以注册多种输入源，如：

Timer Source: 定时器
Dispatch Source: GCD任务
Port Based Source: 端口，用于进程间通信
Custom Input Sources: 自定义输入源

当某个输入源有事件产生时，RunLoop 会将其放入一个指定的 Mode 下的 Events Queue 中。RunLoop 会按照顺序依次处理此 queue 中的事件，直到 queue 中没有事件为止。

RunLoop 的运行模式

在处理事件时，RunLoop 需要知道哪些事件需要处理，哪些事件不需要处理。为了达到这个目的，RunLoop 引入了 Mode 的概念。Mode 是一个字符串，用于标识一组事件。在一个特定的 Mode 下，RunLoop 只会处理该 Mode 中注册的事件，而忽略其他 Mode 中的事件。iOS 系统中默认提供了五种运行模式：

NSDefaultRunLoopMode：默认模式，处理大部分事件源。
UITrackingRunLoopMode：界面跟踪模式，用于拖动 ScrollView 时接收触摸事件，其他输入源将被暂停处理。
UIInitializationRunLoopMode：启动模式，应用启动时使用，只处理特定事件。
NSRunLoopCommonModes：公共模式，同时处理多个模式下的事件源。
NSConnectionReplyMode：用于处理分布式对象连接的模式。

RunLoop 支持多个不同的 Mode 同时存在，当一个 Mode 中没有任何事件需要处理时，RunLoop 会自动切换到另一个 Mode 中，从而避免阻塞线程。

Run Loop 的内部结构

Run Loop 内部包含以下几个重要的数据结构：

Mode：表示 Run Loop 当前正在处理的事件模式。
Source：表示 Run Loop 注册的输入源集合。
Observer：表示 Run Loop 注册的观察者集合。
Timer：表示 Run Loop 注册的定时器集合。
Activity：表示 Run Loop 的状态信息，包括是否处于活动状态、是否被暂停、是否正在等待睡眠等。

RunLoop 的内部结构可以类比为一个状态机。在不同的状态下，RunLoop 执行不同的操作，从而实现事件的处理和线程的管理。

Run Loop 的状态转换

RunLoop 可以处于以下几种状态：

Inactive：表示 Run Loop 未启动或已停止。
Waiting：表示 Run Loop 正在等待输入源的唤醒。
Running：表示 Run Loop 正在运行，处理事件队列中的事件。
Stopped：表示 Run Loop 已经停止，不再接收新的事件。

RunLoop 的生命周期

RunLoop 的生命周期主要包含以下几个阶段：

创建阶段

RunLoop 对象的创建是在线程第一次获取 RunLoop 时完成的，如果没有获取过就会创建一个默认的 RunLoop。RunLoop 的创建是由 CFRunLoopGetMain() 或 CFRunLoopGetCurrent() 函数实现的，它们返回的对象都可以被称为 RunLoop，但实际上主线程的 RunLoop 和其他线程的 RunLoop 是不同的。

RunLoop 的创建过程会生成一个 CFRunLoopRef 实例。CFRunLoopRef 包含了 RunLoop 的所有信息，例如输入源和定时源等。RunLoop 的初始化方法是 CFRunLoopRun()，它会一直运行，直到 RunLoop 被停止。

运行阶段

RunLoop 进入运行状态后，会不停地从消息队列中获取消息，并且传递给相应的处理器进行处理。当 RunLoop 处理完所有任务后，会进入休眠状态。

RunLoop 的运行方法有两种：CFRunLoopRun() 和 CFRunLoopRunInMode()。CFRunLoopRun() 是一个无限循环的函数，直到 RunLoop 被停止才会返回。CFRunLoopRunInMode() 则是一个带有模式参数的函数，只有在指定的模式下才会处理消息，其他消息会被暂时忽略。

下面的代码中，手动创建了一个后台线程，并且在其中创建了一个 RunLoop 对象。我们通过添加一个定时器事件源来模拟后台任务的执行，并且在主线程中设置 shouldStop 标志位来控制 RunLoop 的结束。

        
      
- (void)startBackgroundTask {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //创建 RunLoop 对象
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        
        //添加一个定时器事件源
        NSTimer *timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 target:self selector:@selector(backgroundTask:) userInfo:nil repeats:YES];
        [runLoop addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        
        //启动 RunLoop，直到被停止
        while (!self.shouldStop) {
            [runLoop runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];
        }
    });
}

- (void)backgroundTask:(NSTimer *)timer {
    //执行后台任务，并根据需要更新 UI 界面
}

休眠阶段

如果当前线程没有任务需要执行，那么 RunLoop 就会进入休眠状态，直到有新的任务被加入到消息队列中才会重新唤醒。RunLoop 的休眠方法是 CFRunLoopRunInMode()，我们可以设置超时时间来避免 RunLoop 永久休眠。

停止阶段

RunLoop 可以手动停止，也可以由于某些异常情况导致自动停止。RunLoop 停止的方法是 CFRunLoopStop()，它可以立即停止 RunLoop 的运行，并且退出当前的 CFRunLoopRun() 或 CFRunLoopRunInMode() 函数调用。

        
      
- (void)startObservingRunLoop {
    CFRunLoopRef runLoop = CFRunLoopGetCurrent();
    
    //创建一个 Observer 对象，监听 RunLoop 的 Entry、BeforeWaiting 和 Exit 事件
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(kCFAllocatorDefault,
                                                                        kCFRunLoopEntry | kCFRunLoopBeforeWaiting | kCFRunLoopExit,
                                                                        true,
                                                                        0,
                                                                        ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
                                                                            NSLog(@"RunLoop is %s", [self stringFromRunLoopActivity:activity]);
                                                                        });
    //将 Observer 添加到当前 RunLoop 中
    CFRunLoopAddObserver(runLoop, observer, kCFRunLoopCommonModes);
    
    //释放 Observer 对象
    CFRelease(observer);
}

- (NSString *)stringFromRunLoopActivity:(CFRunLoopActivity)activity {
    switch (activity) {
        case kCFRunLoopEntry:
            return @"Entry";
        case kCFRunLoopBeforeTimers:
            return @"Before Timers";
        case kCFRunLoopBeforeSources:
            return @"Before Sources";
        case kCFRunLoopBeforeWaiting:
            return @"Before Waiting";
        case kCFRunLoopAfterWaiting:
            return @"After Waiting";
        case kCFRunLoopExit:
            return @"Exit";
        default:
            return @"Unknown";
    }
}

RunLoop 的使用场景

RunLoop 可以在许多情况下提高程序的性能和响应速度，以下是常见的 RunLoop 使用场景：

处理异步任务

当需要在后台执行一些比较耗时的任务时，我们可以在其他线程上手动创建一个 RunLoop 对象，并且在任务执行结束后关闭它，以保证线程不会因为长时间阻塞而导致无法响应其他事件。这种方式可以避免使用 GCD 等异步执行方法时可能出现的问题，例如任务执行顺序不可控、不能中途取消任务等。

        
      
- (void)startBackgroundTask {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //创建 RunLoop 对象
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        
        //添加一个端口输入源
        NSMachPort *port = [NSMachPort port];
        [port setDelegate:self];
        [runLoop addPort:port forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        
        //执行后台任务
        [self doBackgroundTask];
        
        //停止 RunLoop
        CFRunLoopStop([runLoop getCFRunLoop]);
    });
}

- (void)doBackgroundTask {
    //执行后台任务，并根据需要更新 UI 界面
}

- (void)handleMachMessage:(void *)msg {
    //处理从主线程发送的消息
}

控制下载速度

当需要控制下载速度时，可以通过定时器来限制每次下载的数据量，并且在下载完成后休眠一段时间再继续下载。这样可以避免过多的网络请求和数据传输占用系统资源，提高下载效率和稳定性。

        
      
- (void)startDownloadTask {
    NSURLSessionConfiguration *config = [NSURLSessionConfiguration defaultSessionConfiguration];
    config.timeoutIntervalForRequest = 10.0;
    
    NSURLSession *session = [NSURLSession sessionWithConfiguration:config delegate:self delegateQueue:nil];
    NSURLRequest *request = [NSURLRequest requestWithURL:[NSURL URLWithString:@"http://example.com"]];
    NSURLSessionDataTask *task = [session dataTaskWithRequest:request];
    
    //启动下载任务，并且在 RunLoop 中控制下载速度
    [task resume];
    [self delayWithTimeInterval:0.5 block:^{
        [task cancel];
    }];
}

- (void)delayWithTimeInterval:(NSTimeInterval)interval block:(dispatch_block_t)block {
    //创建定时器事件源，并且添加到当前线程的 RunLoop 中
    NSRunLoopTimer *timer = [[NSRunLoop currentRunLoop] timerWithTimeInterval:interval repeats:NO block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        if (block) {
            block();
        }
    }];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

UI 渲染

UIKit 中大量的 UI 操作都是通过 RunLoop 来实现的。当界面需要更新时，RunLoop 会将相关的刷新操作加入到消息队列中，并且在下一次循环中执行，从而保证界面的流畅性。如果没有使用 RunLoop，那么界面更新可能会出现卡顿甚至崩溃的情况。

        
      
- (void)startRenderingTask {
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        //获取当前 RunLoop 对象
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        
        //添加一个定时器事件源，每隔 1/60 秒触发一次
        CADisplayLink *displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(renderingTask:)];
        [displayLink addToRunLoop:runLoop forMode:NSRunLoopCommonModes];
        
        //启动 RunLoop
        [runLoop runUntilDate:[NSDate distantFuture]];
    });
}

- (void)renderingTask:(CADisplayLink *)displayLink {
    //执行 UI 渲染操作
}