深入理解 RunLoop

文摘来源：ibireme 的博客：《深入理解 RunLoop 》，有增删。

RunLoop 是 iOS 和 macOS 开发中非常基础的一个概念，这篇文章将从 CFRunLoop 的源码入手，介绍 RunLoop 的概念以及底层实现原理。之后会介绍一下在 iOS 中，系统是如何利用 RunLoop 实现自动释放池、延迟回调、触摸事件、屏幕刷新等功能的。

目录

• ibireme :《深入理解 RunLoop》

  • RunLoop 的源码

  • RunLoop 的概念

  • RunLoop 与线程的关系

  • RunLoop 对外的接口

    • 0. CFRunLoopModeRef

    • 1. CFRunLoopSourceRef

    • 2. CFRunLoopTimerRef

    • 3. CFRunLoopObserverRef

  • RunLoop 的 Mode

  • RunLoop 的内部逻辑

    • 图片示例

    • 代码摘要

  • RunLoop 的底层实现

  • 系统用 RunLoop 实现的功能

    • 0. App 启动后 RunLoop 的状态

    • 1. AutoreleasePool

    • 2. 事件响应

    • 3. 手势识别

    • 4. 界面更新

    • 5. 定时器

    • 6. PerformSelecter

    • 7. 关于 GCD

    • 8. 关于网络请求

  • RunLoop 的实际应用举例

    • 1. AFNetworking 2.x

    • 2. AsyncDisplayKit

RunLoop 的源码

CFRunLoopRef 的代码 CFRunLoop.c 是开源的，可以在这里 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/ 下载到整个 CoreFoundation 的源码。

Swift 开源后，Apple 又维护了一个跨平台的 CoreFoundation 版本：https://github.com/apple/swift-corelibs-foundation/ ，这个版本的源码可能和现有 iOS 系统中的实现略不一样，但更容易编译，而且已经适配了 Linux / Windows 。

RunLoop 的概念

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，这种模型通常被称作 Event Loop ， 在 macOS / iOS 里被称作 RunLoop ，它的主要功能是管理事件/消息，让线程在没有处理消息时休眠以避免资源占用、在有消息到来时立刻被唤醒。

RunLoop 提供了一个入口函数来执行事件循环的逻辑。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（比如传入 quit 的消息），函数返回。

macOS/iOS 系统中，提供了两个这样的对象：NSRunLoop 和 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。

• 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 与线程的关系

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。线程刚创建时并没有 RunLoop ，如果不主动获取，那它一直都不会有。RunLoop 的创建是发生在第一次获取时，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）。

iOS/macOS 系统不允许直接创建 RunLoop ，它只提供了两个自动获取的函数：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent() ，这两个函数内部的逻辑大概是下面这样:

【代码说明：或许需要更新一下？ 施工中 🚧】

/// 全局的 Dictionary ，key 是 pthread_t ， value 是 CFRunLoopRef
static CFMutableDictionaryRef loopsDic;
/// 访问 loopsDic 时的锁
static CFSpinLock_t loopsLock;
 
/// 获取一个 pthread 对应的 RunLoop 。
CFRunLoopRef _CFRunLoopGet(pthread_t thread) {
    OSSpinLockLock(&loopsLock);
    
    if (!loopsDic) {
        // 第一次进入时，初始化全局 Dic ，并先为主线程创建一个 RunLoop 。
        loopsDic = CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRef mainLoop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, pthread_main_thread_np(), mainLoop);
    }
    
    // 直接从 Dictionary 里获取。
    CFRunLoopRef loop = CFDictionaryGetValue(loopsDic, thread));
    
    if (!loop) {
        // 取不到时，创建一个
        loop = _CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic, thread, loop);
        // 注册一个回调，当线程销毁时，顺便也销毁其对应的 RunLoop 。
        _CFSetTSD(..., thread, loop, __CFFinalizeRunLoop);
    }
    
    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    return loop;
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetMain() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}
 
CFRunLoopRef CFRunLoopGetCurrent() {
    return _CFRunLoopGet(pthread_self());
}

关于 iOS 中的线程：

iOS 开发中能遇到两个线程对象: pthread_t 和 NSThread 。过去 Apple 有份文档标明了 NSThread 只是 pthread_t 的封装，但那份文档已经失效了，现在它们也有可能都是直接包装自最底层的 mach thread。系统并没有提供这两个类型相互转换的接口，但不管怎么样，可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一对应的。比如：

• 可以通过 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 来获取主线程；

• 也可以通过 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 来获取当前线程。

CFRunLoop 是基于 pthread 来管理的。

RunLoop 对外的接口

在 CoreFoundation 里面关于 RunLoop 有5个类:

• CFRunLoopRef

• CFRunLoopModeRef

• CFRunLoopSourceRef

• CFRunLoopTimerRef

• CFRunLoopObserverRef

0. CFRunLoopModeRef

其中 CFRunLoopModeRef 类并没有对外暴露，只是通过 CFRunLoopRef 的接口进行了封装。他们的关系如下:

一个 RunLoop 包含若干个 Mode，每个 Mode 又包含若干个 Source / Timer / Observer 。每次调用 RunLoop 的主函数时，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 Loop ，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。

1. CFRunLoopSourceRef

CFRunLoopSourceRef 是事件产生的地方。Source 有两个版本：Source0 和 Source1 ：

• Source0 只包含了一个回调（名为 perform 的函数指针），它不能主动触发事件。使用时，需要先调用 CFRunLoopSourceSignal(source) ，将这个 Source 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 来唤醒 RunLoop ，让其处理这个事件。

• Source1 除了包含了一个回调（名为 perform 的函数指针），还包含一个名为 getPort 的函数指针，其返回值是 mach_port_t 类型的。因此 source1 可被用于通过内核和其他进程相互发送消息，这种 Source 能主动唤醒 RunLoop 的线程，其原理在下面会讲到。

2. CFRunLoopTimerRef

CFRunLoopTimerRef 是基于时间的触发器，它和 NSTimer 是 toll-free bridged 的，可以混用。其包含一个时间长度和一个回调（函数指针）。当其加入到 RunLoop 时，RunLoop 会注册对应的时间点，当时间点到时，RunLoop 会被唤醒以执行那个回调。

3. CFRunLoopObserverRef

CFRunLoopObserverRef 是观察者，每个 Observer 都包含了一个回调（函数指针），当 RunLoop 的状态发生变化时，观察者就能通过回调接受到这个变化。可以观测的时间点有以下几个：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即将进入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即将处理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即将处理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即将进入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 刚从休眠中唤醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即将退出Loop
};

上面的 Source / Timer / Observer 被统称为 mode item ，一个 item 可以被同时加入多个 mode 。但一个 item 被重复加入同一个 mode 时是不会有效果的。如果一个 mode 中一个 item 都没有，则 RunLoop 会直接退出，不进入循环。

RunLoop 的 Mode

CFRunLoop 和 CFRunLoopMode 的结构大致如下：

struct __CFRunLoop {
    CFMutableSetRef _commonModes;     // Set
    CFMutableSetRef _commonModeItems; // Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef _currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef _modes;           // Set
    ...
};

struct __CFRunLoopMode {
    CFStringRef _name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef _sources0;    // Set
    CFMutableSetRef _sources1;    // Set
    CFMutableArrayRef _observers; // Array
    CFMutableArrayRef _timers;    // Array
    ...
};

这里有个概念叫 commonModes ：一个 Mode 可以将自己标记为 ”common” 属性（通过将其 _name 添加到 RunLoop 的 commonModes 中）。每当 RunLoop 的内容发生变化时，RunLoop 都会自动将 _commonModeItems 里的 Source / Observer / Timer 同步到具有 “common” 标记的所有 Mode 里。

应用场景举例：

主线程的 RunLoop 里有两个预置的 Mode ，kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode 。这两个 Mode 都已经被标记为 “common” 属性。

• DefaultMode 是 App 平时所处的状态；

• TrackingRunLoopMode 是追踪 ScrollView 滑动时的状态。

当你创建一个 Timer 并加到 DefaultMode 时，Timer 会得到重复回调，但此时滑动一个 UITableView 时，RunLoop 会将 Mode 切换为 TrackingRunLoopMode ，这时 Timer 就不会被回调，并且也不会影响到滑动操作。

有时你需要一个 Timer ，在两个 Mode 中都能得到回调，

• 一种办法就是将这个 Timer 分别加入这两个 Mode ；

• 还有一种方式，就是将 Timer 加入到顶层的 RunLoop 的 commonModeItems 中。commonModeItems 被 RunLoop 自动更新到所有具有 ”common” 属性的 Mode 里去。

CFRunLoop对外暴露的管理 Mode 接口只有下面2个:

CFRunLoopAddCommonMode(CFRunLoopRef runloop, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, ...);

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面几个：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopSourceRef source, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopObserverRef observer, CFStringRef modeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRef rl, CFRunLoopTimerRef timer, CFStringRef mode);

你只能通过 mode name 来操作内部的 mode，当你传入一个新的 mode name 但 RunLoop 内部没有对应 mode 时，RunLoop 会自动帮你创建对应的 CFRunLoopModeRef 。对于一个 RunLoop 来说，其内部的 mode 只能增加不能删除。

系统公开提供的 Mode 有两个：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用这两个 Mode Name 来操作其对应的 Mode。

同时系统还提供了一个操作 common 标记的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用这个字符串来操作 Common Items，或标记一个 Mode 为 “common” 。使用时注意区分这个字符串和其他 mode name。

RunLoop 的内部逻辑

图片示例

根据 Apple 在文档里的说明，RunLoop 内部的逻辑大致如下：

说明：原文的图有错误，唤醒 RunLoop 的应该是 Source1 ，此图已修正。

RunLoop-step.png

【编者注：上图中的「外部手动唤醒」，说的不是用手触摸手机屏幕唤醒 RunLoop ，触摸事件是由 Source1 接收并处理的。这里的「外部手动唤醒」是指在代码中手动调用 RunLoop 的相关 API ，比如 Source0 本身不能唤醒 RunLoop ，但可以通过手动调用相关 API 来使用 Source0 唤醒 RunLoop，步骤是 ：先调用 CFRunLoopSourceSignal(rls) 将一个 Source0 标记为待处理，然后手动调用 CFRunLoopWakeUp(rl) 来唤醒 RunLoop ( CFRunLoopWakeUp() 函数内部是通过 RunLoop 实例的 _wakeUpPort 成员变量来唤醒 RunLoop 的）。】

代码摘要

RunLoop 内部是一个 do...while 循环。当你调用 CFRunLoopRun() 时，线程就会一直停留在这个循环里，直到超时或被手动停止，该函数才会返回：

【代码需要更新？施工中 🚧】

/// 用DefaultMode启动
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}
 
/// 用指定的Mode启动，允许设置RunLoop超时时间
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}
 
/// RunLoop的实现
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {
    // 首先根据 modeName 找到对应 mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    // 如果 mode 里没有 source/timer/observer , 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;
    
    // 1. 通知 Observers: RunLoop 即将进入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);
    
    // 内部函数，进入 loop 
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {        
        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {
            // 2. 通知 Observers : RunLoop 即将触发 Timer 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            // 3. 通知 Observers : RunLoop 即将触发 Source0 (非 port ) 回调。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            // 执行被加入的 block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
            
            // 4. RunLoop 触发 Source0 (非 port ) 回调。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            // 执行被加入的 block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);
 
            // 5. 如果有 Source1 (基于 port ) 处于 ready 状态，直接处理这个 Source1 然后跳转去处理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg; // 跳转到第 9 步
            }
            
            // 通知 Observers : RunLoop 的线程即将进入休眠 (sleep) 。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }
            
            // 7. 调用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。线程将进入休眠, 直到被下面某一个事件唤醒。
            // • 一个基于 port 的 Source 的事件。
            // • 一个 Timer 到时间了
            // • RunLoop 自身的超时时间到了
            // • 被其他什么调用者手动唤醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                // 线程休眠：thread wait for receive msg
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); 
            }
 
            // 8. 通知 Observers: RunLoop 的线程刚刚被唤醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);
            
            // 9. 收到消息，处理消息。
            handle_msg:
 
            if (msg_is_timer) {
                // 9.1 如果一个 Timer 到时间了，触发这个 Timer 的回调。
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            } else if (msg_is_dispatch) {
                // 9.2 如果有 dispatch 到 main queue 的 block ，执行 block 。
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            } else {
                // 9.3 如果一个 Source1 (基于 port ) 发出事件了，处理这个事件
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }
            
            // 执行加入到 Loop 的 block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                // 进入 loop 时参数说处理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                // 超出传入参数标记的超时时间了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                // 被外部调用者强制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                // source/timer/observer 一个都没有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }
            
            // 如果没超时，mode 里没空，loop 也没被停止，那继续 loop 。
        } while (retVal == 0);
    }
    
    // 10. 通知 Observers : RunLoop 即将退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

RunLoop 的底层实现

从上面代码可以看到，RunLoop 的核心是基于 mach port 的，其进入休眠时调用的函数是 mach_msg() 。为了解释这个逻辑，下面稍微介绍一下 macOS / iOS 的系统架构。

Apple 官方将整个系统大致划分为上述4个层次：

• 应用层包括用户能接触到的图形应用，例如 Spotlight 、SpringBoard 等。

• 应用框架层即开发人员接触到的 Cocoa 等框架。

• 核心框架层包括各种核心框架、OpenGL 等内容。

• Darwin 即操作系统的核心，包括系统内核、驱动、Shell 等内容，这一层是开源的，其所有源码都可以在 opensource.apple.com 里找到。

我们在深入看一下 Darwin 这个核心的架构：

其中，在硬件层上面的三个组成部分：Mach 、BSD 、IOKit (还包括一些上面没标注的内容)，共同组成了 XNU 内核。

• Mach 是 XNU 内核的内环，Mach 作为一个微内核，仅提供了诸如处理器调度、IPC (进程间通信) 等非常少量的基础服务。

• BSD 层可以看作围绕 Mach 层的一个外环，其提供了诸如进程管理、文件系统和网络等功能。

• IOKit 层是为设备驱动提供了一个面向对象 (C++) 的一个框架。

Mach 本身提供的 API 非常有限，而且 Apple 也不鼓励使用 Mach 的 API，但是这些 API 非常基础，如果没有这些 API 的话，其他任何工作都无法实施。在 Mach 中，所有的东西都是通过自己的对象实现的，进程、线程和虚拟内存都被称为”对象”。和其他架构不同， Mach 的对象间不能直接调用，只能通过消息传递的方式实现对象间的通信。”消息”是 Mach 中最基础的概念，消息在两个端口 (port) 之间传递，这就是 Mach 的 IPC (进程间通信) 的核心。

Mach 的消息定义是在 <mach/message.h> 头文件的，很简单：

typedef struct {
  mach_msg_header_t header;
  mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t;
 
typedef struct {
  mach_msg_bits_t msgh_bits;
  mach_msg_size_t msgh_size;
  mach_port_t msgh_remote_port;
  mach_port_t msgh_local_port;
  mach_port_name_t msgh_voucher_port;
  mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t;

一条 Mach 消息实际上就是一个二进制数据包 (BLOB) ，其头部定义了当前端口 local_port 和目标端口 remote_port，发送和接受消息是通过同一个 API 进行的，其 option 标记了消息传递的方向：

mach_msg_return_t mach_msg(
    mach_msg_header_t *msg,
    mach_msg_option_t option,
    mach_msg_size_t send_size,
    mach_msg_size_t rcv_size,
    mach_port_name_t rcv_name,
    mach_msg_timeout_t timeout,
    mach_port_name_t notify
);

为了实现消息的发送和接收，mach_msg() 函数实际上是调用了一个 Mach 陷阱 (trap) ，即函数 mach_msg_trap() ，陷阱这个概念在 Mach 中等同于系统调用。当你在用户态调用 mach_msg_trap() 时会触发陷阱机制，切换到内核态；内核态中内核实现的 mach_msg() 函数会完成实际的工作，如下图：

RunLoop 的核心就是一个 mach_msg()（见上面代码的第 7 步），RunLoop 调用这个函数去接收消息，如果没有别人发送 port 消息过来，内核会将线程置于等待状态。例如你在模拟器里跑起一个 iOS 的 App ，然后在 App 静止时点击暂停，你会看到主线程调用栈是停留在 mach_msg_trap() 这个地方。

关于具体的如何利用 mach port 发送信息，可以看看 NSHipster 这一篇文章，或者这里的中文翻译 。

系统用 RunLoop 实现的功能

0. App 启动后 RunLoop 的状态

首先我们可以看一下 App 启动后 RunLoop 的状态，在 lldb 中执行 po [NSRunloop currentRunloop] ：

CFRunLoop {
    current mode = kCFRunLoopDefaultMode
    common modes = {
        UITrackingRunLoopMode
        kCFRunLoopDefaultMode
    }
 
    common mode items = {
        // source0 (manual)
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = _UIApplicationHandleEventQueue}}
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = PurpleEventSignalCallback }}
        CFRunLoopSource {order = 0, {
            callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
 
        // source1 (mach port)
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 17923}}
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 12039}}
        CFRunLoopSource {order = 0,  {port = 16647}}
        CFRunLoopSource {order =-1, {
            callout = PurpleEventCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 2407,
            callout = _ZL20notify_port_callbackP12__CFMachPortPvlS1_}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1c03,
            callout = __IOHIDEventSystemClientAvailabilityCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 0, {port = 1b03,
            callout = __IOHIDEventSystemClientQueueCallback}}
        CFRunLoopSource {order = 1, {port = 1903,
            callout = __IOMIGMachPortPortCallback}}
 
        // Ovserver
        CFRunLoopObserver {order = -2147483647, activities = 0x1, // Entry
            callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
        CFRunLoopObserver {order = 0, activities = 0x20,          // BeforeWaiting
            callout = _UIGestureRecognizerUpdateObserver}
        CFRunLoopObserver {order = 1999000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
            callout = _afterCACommitHandler}
        CFRunLoopObserver {order = 2000000, activities = 0xa0,    // BeforeWaiting | Exit
            callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
        CFRunLoopObserver {order = 2147483647, activities = 0xa0, // BeforeWaiting | Exit
            callout = _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler}
 
        // Timer
        CFRunLoopTimer {firing = No, interval = 3.1536e+09, tolerance = 0,
            next fire date = 453098071 (-4421.76019 @ 96223387169499),
            callout = _ZN2CAL14timer_callbackEP16__CFRunLoopTimerPv (QuartzCore.framework)}
    },
 
    modes ＝ {
        CFRunLoopMode  {
            sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            observers = { /* same as 'common mode items' */ },
            timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            sources1 =  { /* same as 'common mode items' */ },
            observers = { /* same as 'common mode items' */ },
            timers =    { /* same as 'common mode items' */ },
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = {
                CFRunLoopSource {order = 0, {
                    callout = FBSSerialQueueRunLoopSourceHandler}}
            },
            sources1 = (null),
            observers = {
                CFRunLoopObserver >{activities = 0xa0, order = 2000000,
                    callout = _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv}
            )},
            timers = (null),
        },
 
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = {
                CFRunLoopSource {order = -1, {
                    callout = PurpleEventSignalCallback}}
            },
            sources1 = {
                CFRunLoopSource {order = -1, {
                    callout = PurpleEventCallback}}
            },
            observers = (null),
            timers = (null),
        },
        
        CFRunLoopMode  {
            sources0 = (null),
            sources1 = (null),
            observers = (null),
            timers = (null),
        }
    }
}

可以看到，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 下运行的。

2. UITrackingRunLoopMode : 界面跟踪 Mode ，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 : 接受系统事件的内部 Mode，通常用不到。

5. kCFRunLoopCommonModes : 这是一个占位的 Mode ，没有实际作用。【待更新。施工中 🚧】

你可以在这里看到更多的系统内部的 Mode ，但那些 Mode 在开发中就很难遇到了。

当 RunLoop 进行回调时，一般都是通过一个很长的函数调用出去 (call out), 当你在你的代码中下断点调试时，通常能在调用栈上看到这些函数。下面是这几个函数的整理版本，如果你在调用栈中看到这些长函数名，在这里查找一下就能定位到具体的调用地点了：

{
    // 1. 通知 Observers ，即将进入RunLoop
    //    此处有 Observer 会创建 AutoreleasePool :
    //      _objc_autoreleasePoolPush();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);

    do {
        // 2. 通知 Observers : 即将触发 Timer 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
        // 3. 通知 Observers : 即将触发 Source (非基于 port 的,Source0 ) 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        // 4. 触发 Source0 (非基于 port 的) 回调。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);
 
        // 6. 通知 Observers ，即将进入休眠
        //    此处有 Observer 释放并新建 AutoreleasePool :
        //      _objc_autoreleasePoolPop(); 
        //      _objc_autoreleasePoolPush();
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeWaiting);
 
        // 7. sleep to wait msg.
        mach_msg() -> mach_msg_trap();
        
        // 8. 通知 Observers ，线程被唤醒
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);
 
        // 9.1 如果是被 Timer 唤醒的，回调 Timer
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);
        // 9.2 如果是被 dispatch 唤醒的，执行所有调用 dispatch_async 等方法放入 main queue 的 block
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);
        // 9.3 如果如果 Runloop 是被 Source1 (基于 port 的) 的事件唤醒了，处理这个事件
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);
    } while (...);
 
    // 10. 通知 Observers ，即将退出 RunLoop
    //     此处有 Observer 释放AutoreleasePool:
    //       _objc_autoreleasePoolPop();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

共 6 种：

static void __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__();
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__();

1. AutoreleasePool

App 启动后，系统在 App 的主线程对应的 RunLoop 里注册了两个 Observer，其回调都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler() 。

• 第一个 Observer 监听的事件是 Entry（即将进入 Loop ），其回调内会调用 _objc_autoreleasePoolPush() 创建自动释放池。其 order 是-2147483647 ，优先级最高，保证创建释放池发生在所有其他回调之前。

• 第二个 Observer 监听了两个事件：

  • 在 BeforeWaiting（准备进入休眠）时调用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 释放旧池并创建新池；

  • 在 Exit（即将退出 RunLoop ）时调用 _objc_autoreleasePoolPop() 来释放自动释放池。这个 Observer 的 order 是 2147483647，优先级最低，保证其发生在其他所有回调之后。

在主线程执行的代码，通常是写在诸如事件回调、Timer 回调内的。这些回调会被 RunLoop 创建好的 AutoreleasePool 环绕着，所以不会出现内存泄漏，开发者也不必显式地创建 AutoreleasePool 了。

2. 事件响应

App 启动时， 系统会给 App 注册了一个 source1 (是基于 mach port 的) 用来接收系统事件，其回调函数为 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback() 。

当一个硬件事件（触摸/锁屏/摇晃/远程控制【比如耳机线控】等）发生后，首先由 IOKit.framework 生成一个 IOHIDEvent 事件并由 SpringBoard 接收。这个过程的详细情况可以参考这里。

SpringBoard 只接收按键（锁屏/静音等）、触摸、加速、接近传感器等几种 Event。接收到 Event 之后，SpringBoard 先判断这个 Event 是由自己处理还是需要转发给某个 App ，因为用户可能是在滑动桌面，也可能在是使用某个 App 。如果是后者，则用 mach port 转发给相应的 App 进程。随后，系统为 App 注册的那个 source1 就会触发回调，并调用 _UIApplicationHandleEventQueue() 进行 App 内部的分发。

_UIApplicationHandleEventQueue() 会把 IOHIDEvent 处理并包装成 UIEvent 进行处理或分发，其中包括识别手势、处理屏幕旋转、发送给 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 点击、touchesBegin / Move / End / Cancel 事件都是在这个回调中完成的。

3. 手势识别

当上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别了一个手势时，其首先会调用 Cancel 将当前的 touchesBegin / Move / End 系列回调打断。随后系统将对应的手势标记为待处理。

系统为 App 注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting（ Loop 即将进入休眠）事件，这个 Observer 的回调函数是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver() ，其内部会获取所有刚被标记为待处理的 GestureRecognizer ，并执行 GestureRecognizer 的回调。

当有 UIGestureRecognizer 的变化（创建/销毁/状态改变）时，这个回调都会进行相应处理。

4. 界面更新

当在操作 UI 时，比如改变了 frame 、更新了 UIView / CALayer 的层次时，或者手动调用了 UIView / CALayer 的 setNeedsLayout / setNeedsDisplay 方法后，这个 UIView / CALayer 就被标记为待处理，并被提交到一个全局的容器去。

系统为 App 注册了一个 Observer 监听 BeforeWaiting（即将进入休眠）和 Exit（即将退出Loop）事件，回调去执行一个很长的函数：

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()

这个函数里会遍历所有待处理的 UIView / CAlayer 以执行实际的绘制和调整，并更新 UI 界面。

这个函数内部的调用栈大概是这样的：

【这个结果是如果打印出来的？施工中 🚧】

_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()
    QuartzCore:CA::Transaction::observer_callback:
        CA::Transaction::commit();
            CA::Context::commit_transaction();
                CA::Layer::layout_and_display_if_needed();
                    CA::Layer::layout_if_needed();
                        [CALayer layoutSublayers];
                            [UIView layoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                        [CALayer display];
                            [UIView drawRect];

5. 定时器

NSTimer 其实就是 CFRunLoopTimerRef ，他们之间是 toll-free bridged 的。一个 NSTimer 注册到 RunLoop 后，RunLoop 会为其重复的时间点注册好事件。例如 10:00 、10:10 、10:20 这几个时间点。RunLoop 为了节省资源，并不会在非常准确的时间点回调这个 Timer 。Timer 有个属性叫做 tolerance (宽容度)，标示了当时间点到后，容许有多少最大误差。

如果某个时间点被错过了，例如执行了一个很长的任务，则那个时间点的回调也会跳过去，不会延后执行。就比如等公交，如果 10:10 时我忙着玩手机错过了那个点的公交，那我只能等 10:20 这一趟了。

CADisplayLink 是一个和屏幕刷新率一致的定时器（但实际实现原理更复杂，和 NSTimer 并不一样，其内部实际是操作了一个 Source ）。如果在两次屏幕刷新之间执行了一个长任务，那其中就会有一帧被跳过去（和 NSTimer 相似），造成界面卡顿的感觉。在快速滑动 TableView 时，即使一帧的卡顿也会让用户有所察觉。Facebook 开源的 AsyncDisplayLink 就是为了解决界面卡顿的问题，其内部也用到了 RunLoop ，这个稍后我会再单独写一页博客来分析。

6. PerformSelecter

当调用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 后，实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop ，则这个方法会失效。

当调用 performSelector:onThread: 时，实际上其会创建一个 Timer 加到对应的线程去，同样的，如果对应线程没有 RunLoop 该方法也会失效。

7. 关于 GCD

NSTimer 是用了 XNU 内核的 mk_timer ，而非 GCD 的 dispatch_source_t 驱动的。但 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop ， 例如 dispatch_async() 。

当调用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 时，libDispatch 会向主线程的 RunLoop 发送消息，RunLoop 会被唤醒，并从消息中取得这个 block ，并在回调 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 里执行这个 block 。但这个逻辑仅限于 dispatch 到主线程，dispatch 到其他线程仍然是由 libDispatch 处理的。

8. 关于网络请求

iOS 中，关于网络请求的接口自下至上有如下几层：

CFSocket
CFNetwork       ->ASIHttpRequest
NSURLConnection ->AFNetworking
NSURLSession    ->AFNetworking2+ , Alamofire

• CFSocket 是最底层的接口，只负责 socket 通信。

• CFNetwork 是基于 CFSocket 等接口的上层封装，ASIHttpRequest 工作于这一层。

• NSURLConnection 是基于 CFNetwork 的更高层的封装，提供面向对象的接口，AFNetworking 工作于这一层。

• NSURLSession 是 iOS 7 中新增的接口，表面上是和 NSURLConnection 并列的，但底层仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 线程)，AFNetworking2+ 和 Alamofire 工作于这一层。

下面主要介绍下 NSURLConnection 的工作过程。

通常使用 NSURLConnection 时，你会传入一个 delegate ，当调用了 [connection start] 后，这个 delegate 就会不停收到事件回调。实际上，start 这个函数的内部会会获取（ delegate 所在子线程的）CurrentRunLoop，然后在其中的 DefaultMode 添加了 4 个 Source0（即需要手动触发的 Source）。CFMultiplexerSource 是负责各种 delegate 回调的，CFHTTPCookieStorage 是处理各种 Cookie 的。

当开始网络传输时，我们可以看到 NSURLConnection 创建了两个新线程：com.apple.CFSocket.private 和 com.apple.NSURLConnectionLoader 。其中：

• CFSocket 线程是处理底层 socket 连接的。

• NSURLConnectionLoader 这个线程内部会使用 RunLoop 来接收底层 socket 的事件，并通过之前添加的 Source0 通知到上层的 delegate 。

RunLoop-network.png

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通过一些基于 mach port 的 Source1 接收来自底层 CFSocket 的通知。当收到通知后，其会在合适的时机向 CFMultiplexerSource 等 Source0 发送通知，同时唤醒 delegate 线程的 RunLoop 来让其处理这些通知。CFMultiplexerSource 会在 delegate 线程的 RunLoop 对 delegate 执行实际的回调。

RunLoop 的实际应用举例

1. AFNetworking 2.x

AFURLConnectionOperation 这个类继承自 NSOperation ，它是基于 NSURLConnection 构建的，其希望能在子线程接收 delegate 回调。为此 AFNetworking 单独创建了一个子线程，并在这个线程中启动了一个 RunLoop ：

+ (NSThread *)networkRequestThread {
    static NSThread *_networkRequestThread = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        // @selector(networkRequestThreadEntryPoint:)
        _networkRequestThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:) object:nil];
        [_networkRequestThread start];
    });
    return _networkRequestThread;
}

+ (void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unused object {
    @autoreleasepool {
        [[NSThread currentThread] setName:@"AFNetworking"];
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLoop run];
    }
}

RunLoop 启动前内部必须要有至少一个 Timer / Source / Observer ，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先创建了一个新的 NSMachPort 添加进去了。通常情况下，调用者需要持有这个 NSMachPort (mach_port) 并在外部线程通过这个 port 发送消息到 loop 内；但此处添加 port 只是为了让 RunLoop 不至于退出，并没有用于实际的发送消息。

下面是 AFURLConnectionOperation 重写的 NSOperation 的 start 。

- (void)start {
    [self.lock lock];
    if ([self isCancelled]) {
        [self performSelector:@selector(cancelConnection) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
    } else if ([self isReady]) {
        self.state = AFOperationExecutingState;
        [self performSelector:@selector(operationDidStart) onThread:[[self class] networkRequestThread] withObject:nil waitUntilDone:NO modes:[self.runLoopModes allObjects]];
    }
    [self.lock unlock];
}

当需要这个子线程执行任务时，AFNetworking 通过调用 [NSObject performSelector:onThread:..] 将这个任务扔到了子线程的 RunLoop 中。

2. AsyncDisplayKit

说明：AsyncDisplayKit 已改名为 texture ，且换了个仓库。

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用于保持界面流畅性的框架，其原理大致如下：

UI 线程中一旦出现繁重的任务就会导致界面卡顿，这类任务通常分为 3 类：排版、绘制、UI 对象操作。

• 排版通常包括计算视图大小、计算文本高度、重新计算子视图的排版等操作。

• 绘制一般有文本绘制 (例如 CoreText )、图片绘制（例如预先解码）、元素绘制 (Quartz) 等操作。

• UI 对象操作通常包括 UIView / CALayer 等 UI 对象的创建、设置属性和销毁。

其中前两类操作可以通过各种方法扔到子线程执行，而最后一类操作只能在主线程完成，并且有时后面的操作需要依赖前面操作的结果（例如 TextView 创建时可能需要提前计算出文本的大小）。

ASDK 所做的，就是尽量将能放入子线程的任务挪到子线程，不能的则尽量推迟 (例如视图的创建、属性的调整)。

为此，ASDK 创建了一个名为 ASDisplayNode 的对象，并在内部封装了 UIView / CALayer，它具有和 UIView / CALayer 相似的属性，例如 frame 、backgroundColor 等。Node 对象的所有这些属性都可以在子线程更改，开发者可以只通过 Node 来操作其内部的 UIView / CALayer，这样就可以将排版和绘制放入子线程中执行。但是无论怎么操作，这些属性总需要在某个时刻同步到主线程的 UIView / CALayer 中去。

ASDK 仿照 QuartzCore / UIKit 框架的模式，实现了一套类似的界面更新的机制：即在主线程的 RunLoop 中添加一个 Observer，监听了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回调时，遍历所有之前放入队列的待处理的任务，然后一一执行。

具体的代码可以看 _ASAsyncTransactionGroup（注意 ⚠️ ：应该已改名了）。