iOS 多线程:『RunLoop』详尽总结

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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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:

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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:

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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。

官方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。

  1. CFRunLoopRef:代表RunLoop的对象
  2. CFRunLoopModeRef:RunLoop的运行模式
  3. CFRunLoopSourceRef:就是RunLoop模型图中提到的输入源/事件源
  4. CFRunLoopTimerRef:就是RunLoop模型图中提到的定时源
  5. 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/)。

RunLoop相关类关系图.png

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:

  1. 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
  2. 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)
  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:接受系统内部事件,通常用不到
  5. kCFRunLoopCommonModes:伪模式,不是一种真正的运行模式(后边会用到)

其中kCFRunLoopDefaultModeUITrackingRunLoopModekCFRunLoopCommonModes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。

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

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    - (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");
    }
  3. 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。

  4. 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?

NSDefaultRunLoopModeUITrackingRunLoopMode

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:

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[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:

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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。

  1. 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。
  2. 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:

    添加Button.png

  3. 然后运行程序,并点击按钮。

  4. 然后在项目中单击下下图红色部分。

    函数调用栈展示图

  5. 可以看到如下图所示就是点击事件产生的函数调用栈。

    函数调用栈

所以点击事件是这样来的:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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:

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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。

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

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    - (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);
    }
  2. 然后运行,看下打印结果,如下图。

打印结果

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/)

RunLoop运行逻辑图

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:

  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:
    • 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
  8. 通知观察者线程将被唤醒
  9. 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
  10. 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:

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:

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[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。

  1. 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。

    添加UIImageView

  2. 在项目中拖入一张图片,比如下图。

    tupian.jpg

  3. 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。

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    - (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
    {
    [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) withObject:[UIImage imageNamed:@"tupian"] afterDelay:4.0 inModes:@[NSDefaultRunLoopMode]];
    }
  4. 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:

UIImageView延迟显示效果.gif

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:

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

    添加thread属性

  2. 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。

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    - (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");
    }
  3. 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:

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- (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。


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