iOS多线程-RunLoop

1.RunLoop简介

• 从字面意思讲跑圈，运行循环。RunLoop就是一个对象，这个对象管理了其需要处理的事件和消息，并提供了一个入口函数来执行上面 Event Loop 的逻辑。线程执行了这个函数后，就会一直处于这个函数内部 “接受消息->等待->处理” 的循环中，直到这个循环结束，函数返回。
  
• 基本作用
  
  1. 保持程序的持续运行;
  2. 处理App中的各种事件（比如触摸事件、定时器事件、Selector事件）;
  3. 节省CPU资源，提高程序性能：有事处理的时候做事，没有事件处理的时候，会进入睡眠模式。
• 没有RunLoop时模拟如下：
  
  没有RunLoop的情况下，第3行后程序就结束了。
• 有RunLoop时模拟如下：
  
  有RunLoop的情况下，由于main函数里面启动了个RunLoop，所以程序并不会马上退出，保持持续运行状态。
• main函数中的Runloop：
  
  1. 在UIApplication函数内部就启动了一个Runloop该函数返回一个int类型的值；
  2. 这个默认启动的Runloop是跟主线程相关联的。
• iOS中有2套API来访问和使用RunLoop：
  
  1. CoreFoundation里面的CFRunLoopRef
CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架内的，它提供了纯 C 函数的 API，所有这些 API 都是线程安全的。CFRunLoopRef是开源的，其源码链接如下：
     CFRunLoopRef开源代码下载
  2. Foundation里面的NSRunLoop
NSRunLoop 是基于 CFRunLoopRef 的封装，提供了面向对象的 API，但是这些 API 不是线程安全的。
     RunLoop苹果官方文档
  3. NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象

2.Runloop与线程

• 一般来讲，一个线程一次只能执行一个任务，执行完成后线程就会退出。如果我们需要一个机制，让线程能随时处理事件但并不退出，这时就用到RunLoop。
• Runloop和线程的关系
  
  1. 线程和 RunLoop 之间是一一对应的，其关系是保存在一个全局的 Dictionary 里。
  2. 线程刚创建时并没有 RunLoop，如果你不主动获取，那它一直都不会有。RunLoop 的创建是发生在第一次获取时(懒加载)，RunLoop 的销毁是发生在线程结束时。你只能在一个线程的内部获取其 RunLoop（主线程除外）。

3.RunLoop实现原理

下图是苹果官方文档给出的Runloop运行原理图:

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。

4.RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:
CFRunLoopRef RunLoop的对象
CFRunLoopModeRef RunLoop的运行模式
CFRunLoopSourceRef 输入源/事件源
CFRunLoopTimerRef Timer事件
CFRunLoopObserverRef 监听者，监听RunLoop的状态改变
Runloop和相关类之间的关系图：

• 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）、Timer事件（CFRunLoopTimerRef）、观察者（CFRunLoopObserverRef）。
• 每次RunLoop启动时，只能指定其中一个Mode，这个Mode被称作 CurrentMode。如果需要切换Mode，只能退出RunLoop，再重新指定一个 Mode 进入。这样做主要是为了分隔开不同组的 Source/Timer/Observer，让其互不影响。

4.1.CFRunLoopRef/NSRunLoop（RunLoop对象）

• CFRunLoopRef就是CoreFoundation框架下RunLoop对象类，不能直接创建，只能获取：
  CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的RunLoop对象
  CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
• 在Foundation框架下获取RunLoop对象类的方法如下：
  [NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的RunLoop对象
  [NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象

4.2.CFRunLoopModeRef（运行模式）

• CFRunloopModeRef代表着Runloop的运行模式，一个Runloop中可以有多个Mode,一个Mode里面又可以有多个source\observer\timer，每次runloop启动的时候，只能指定一个Mode,这个Mode被称为该Runloop的当前Mode，如果需要切换Mode,只能先退出当前Runloop,再重新指定一个Mode进入，分割不同组的定时器等，让他们相互之间不受影响。
• 系统默认注册了5个Mode：
  
  1. kCFRunLoopDefaultMode：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行。
  2. UITrackingRunLoopMode：跟踪用户交互事件Mode（ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他 Mode 影响。）
  3. 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。
  4. GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。
  5. kCFRunLoopCommonModes: 这是一个占位用的Mode，不是一种真正的Mode。

4.3.CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef是事件源，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
• 可以通过打断点的方式查看一个方法的函数调用栈,如下图所示，打断点拦截点击按钮事件
  
  结果分析：程序启动，调用17行的main函数，main函数调用16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11,12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。

4.4.CFRunLoopTimerRef

• CFRunLoopTimerRef是定时源，理解为基于时间的触发器，时间到了我就触发一个事件，触发一个操作。基本上说的就是NSTimer。下面结合CFRunLoopModeRef举例说明：
  添加一个UITextView，在viewDidLoad方法中创建定时器并每两面调用一次block中的方法：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    __block NSInteger num = 0;
    //创建定时器 ，没两秒调用一下block里面的方法
    NSTimer * timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 repeats:YES block:^(NSTimer * `_Nonnull` timer) {
        num ++;
        NSLog(@"%zd次",num);
    }];
    //将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

• 结果可见：我们行任何操作的话，定时器会稳定的每隔2秒调用block中的打印方法；但当我们滚动UITextView时，打印就会中断（暂停）；停止操作后又会继续打印。
• 结果分析：当我们不做任何操作的时候，RunLoop处于NSDefaultRunLoopMode下；当我们拖动UITextView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；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。
• 将RunLoop的模式改为UITrackingRunLoopMode模式，会发现只有在滚动UITextView时，定时器的block中的打印方法才会调用。
• 要想在两种模式下定时器都能正常工作，就需要用到伪模式（kCFRunLoopCommonModes,NSFoundation框架下为NSRunLoopCommonModes）
  伪模式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CommonModes标记的模式下运行，如下修改即可：

[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

• NSTimer中的scheduledTimerWithTimeInterval方法和RunLoop的关系如下：

[NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(test) userInfo:nil repeats:YES];
//等等同于下面两行代码
NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0 target:self selector:@selector(test) userInfo:nil repeats:YES];
[[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

4.5.CFRunLoopObserverRef

• CFRunLoopObserverRef是观察者，用来监听RunLoop的状态改变、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RunLoop：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RunLoop中退出：128
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU       // 监听全部状态改变  
};

监听示例如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    //创建监听者
    CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreateWithHandler(CFAllocatorGetDefault(), kCFRunLoopAllActivities, YES, 0, ^(CFRunLoopObserverRef observer, CFRunLoopActivity activity) {
         NSLog(@"监听到RunLoop状态发生改变---%zd",activity);
    });
    //添加观察者到当前RunLoop中
    CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer, kCFRunLoopDefaultMode);
    //最后添加完需要释放掉
    CFRelease(observer);
}

打印结果如下：

结果可见：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最后就会进入睡眠状态。

5.Runloop运行逻辑

• 根据苹果在文档里的说明，RunLoop运行逻辑大致如下:
  
• 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：
  
  1. 通知观察者RunLoop已经启动
  2. 通知观察者即将要开始的定时器
  3. 通知观察者任何即将启动的非基于端口的源
  4. 启动任何准备好的非基于端口的源
  5. 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
  6. 通知观察者线程进入休眠状态
  7. 将线程置于休眠知道任一下面的事件发生：
     (1)某一事件到达基于端口的源
     (2)定时器启动
     (3)RunLoop设置的时间已经超时
     (4)RunLoop被显示唤醒
  8. 通知观察者线程将被唤醒
  9. 处理未处理的事件
     (1)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
     (2)如果输入源启动，传递相应的消息
     (3)如果RunLoop被显示唤醒而且时间还没超时，重启RunLoop。进入步骤2
  10. 通知观察者RunLoop结束

6.RunLoop应用

• NSTimer的使用，上面已经讲过。
• ImageView推迟显示。
  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？
  
  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。
  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：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    __block NSInteger num = 0;
//    创建定时器 ，没两秒调用一下block里面的方法
    NSTimer * timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0 repeats:YES block:^(NSTimer * _Nonnull timer) {
        num ++;
        NSLog(@"%zd秒",num);
    }];
    //将定时器添加到当前RunLoop的NSDefaultRunLoopMode下
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSRunLoopCommonModes];
    //延迟6秒设置图片
    [self.imageV performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"we"] afterDelay:6.0 inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
}

结果如下：

结果可见：当滚动UITextView时，6秒后图片并没有显示，当停止滚动时图片才显示。

• 常驻后台线程（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。
  做法：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。

示例：

#import "ViewController.h"
@interface ViewController ()
@property(nonatomic ,strong) NSThread * thread;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    //初始化线程
    self.thread = [[NSThread alloc]initWithBlock:^{
        NSLog(@"runThread:%@",[NSThread currentThread]);
        // 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 * currentRL = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [currentRL addPort:[NSPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [currentRL run];
        // 如果开启RunLoop，则来不了这里，因为RunLoop开启了循环。
        NSLog(@"NOopenRunLoop");
    }];
    //开启线程
    [self.thread start];
}
- (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(test) onThread:self.thread withObject:nil waitUntilDone:YES modes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
}
- (void)test{
    NSLog(@"testThread:%@",[NSThread currentThread]);
}

结果可见：除了之前打印的runThread外，每当我们点击屏幕，都打印testThread，但是没有打印NOopenRunLoop说明开启了RunLoop循环。

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参考文档：
深入理解RunLoop
RunLoop苹果官方文档

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