iOS--RunLoop原理

前言

曾经在写项目的时候遇到过这么一个问题。：

项目中添加了一个tableview，然后还有一个计时器，当滑动tableview的时候会阻塞计时器，你得执行这么一段代码后，计时器才能正常运行。

RunLoop.current.add(timer, forMode: .common)

发生这种情况是因为我在defaultRunLoopMode上隐式创建计时器，这实际上是我们应用程序的主线程。然后，当用户积极与我们的用户界面互动时，这将暂停，然后在他们停止时重新激活。

什么是runloop呢？

RunLoop是一个事件循环机制，用于管理线程中的事件和消息。它允许线程在没有任务的情况下休眠，并在有任务需要处理时唤醒线程。 RunLoop主要负责以下几个方面：

处理输入源：RunLoop负责处理输入源，包括用户界面事件、触摸事件、定时器事件、网络事件等，通过RunLoop能够有效地处理这些事件，让应用程序的响应更加及时。
保持线程活动（线程保活）：RunLoop能够保持线程活动，即使在没有任务时，RunLoop也会让线程休眠而不会退出，以便随时处理来自输入源的事件。
定时器功能：RunLoop提供了一些定时器功能，例如延迟执行和重复执行某个任务。通过定时器功能，可以很方便地在指定时间执行任务。
优化性能：RunLoop能够优化应用程序的性能，通过RunLoop能够让应用程序在有任务需要处理时及时唤醒线程，而在没有任务时让线程休眠，从而避免了线程的空转，减少了CPU的占用，提高了应用程序的性能。

runloop和线程之间的关系

每条线程都有唯一的一个与之对应的RunLoop对象
RunLoop保存在一个全局的Dictionary里，线程作为key，RunLoop作为value
线程刚创建时并没有RunLoop对象，RunLoop会在第一次获取它时创建
RunLoop会在线程结束时销毁
主线程的RunLoop已经自动获取（创建，用于响应UI和用户交互事件），子线程默认没有开启RunLoop

runloop的基本组成

Input Source（输入源）:

异步事件的通道，如用户交互（手势、触摸）、网络请求等。

Timer Source（定时器源）:

定时任务，如 NSTimer，它会定期触发某个操作。RunLoop 会定期检查定时器，并在时间到达时触发相应的操作。

Observer（观察者）:

监听 RunLoop 状态的变化，如启动、休眠、唤醒、退出等。可以用于监控 RunLoop 的执行过程，便于调试或优化。

以下是Observer（观察者）的常见状态：

kCFRunloopEntry (runloop准备启动)
kCFRunloopBeforeTimers (通知观察者,runloop将要对Timer的一些相关事件进行处理了)
kCFRunloopBeforeSources (将要处理一些Sources事件)
kCFRunloopBeforeWaiting( 即将要发生用户态到内核态的切换用户态 —> 内核态)没事做进入内核态避免资源浪费
kCFRunloopAfterWaiting (内核态—转—>用户态)
kCFRunloopExit （runloop退出通知）

简单来说就是，runloop从用户态切换到内核态可以节省系统资源，使得线程在没有任务时不会浪费 CPU 时间。

RunLoop 通过监听输入源、定时器源、观察者来处理和调度事件，确保线程可以在处理完事件后及时进入休眠。

runloop的不同模式

runloop可以根据所需切换成不同的模式：

NSDefaultRunLoopMode ：默认模式，处理大多数应用事件，如 Timer定时器触发、网络事件等。
UITrackingRunLoopMode ：UI模式，专门处理UI事件
NSRunLoopCommonModes ：常用模式，允许 RunLoop 同时处理多种事件类型。使用场景包括当用户滚动 UIScrollView 时仍能处理定时器事件。
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
GSEventReceiveRunLoopMode ：接受系统事件的内部Mode

示例：

let timer = Timer(timeInterval: 1.0, repeats: true) { _ in
    print("Timer fired during scroll")
}
//将定时器添加到 .common 模式中，确保在滚动时仍能触发
RunLoop.current.add(timer, forMode: .common)

将Timer定时器添加到.common模式中才能在ScrollView滚动时响应的原理：

当应用处于空闲状态时，RunLoop 处于 NSDefaultRunLoopMode（默认模式），它处理正常任务，包括 Timer 的回调、用户输入等。
当用户与 ScrollView 交互时，RunLoop 切换到 UITrackingRunLoopMode（UI模式），在这种模式下，RunLoop 只处理与用户交互相关的任务，确保滑动的流畅性。此时，未被标记为 “Common” 的 Timer 和其他事件源会被暂时忽略。
如果 Timer 只添加到 NSDefaultRunLoopMode（默认模式），滑动时（UITrackingRunLoopMode）它将不会触发，直到滑动结束后 RunLoop 切换回 DefaultMode，Timer才会被继续触发。
使用 NSRunLoopCommonModes（常用模式） 可以让 Timer 在所有标记为 “Common” 的模式下执行，保证用户滑动时依然能触发回调。

tips：Common模式默认将runloop添加到NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode模式。

runloop的循环流程

检查并处理输入源事件。
检查并处理定时器事件。
如果没有任务，进入休眠等待新的事件。
当有事件到来时，唤醒并处理事件。
重复以上过程，直到 RunLoop 退出。

• 用户态: 是指应用程序执行的状态。RunLoop 在这个状态下负责处理任务（如用户交互、定时器）。

• 内核态: 当 RunLoop 没有任务时，它会进入内核态，等待新的事件。这个时候，线程会进入休眠，操作系统负责监控任务的到达，以减少 CPU 资源的消耗。

runloop的Input Source（输入源）分类

1.Source0（非基于 port 的事件源）:

Source0 是应用程序主动触发的事件源。它不依赖系统的 port 机制，也不会自动唤醒 RunLoop。这类事件通常是应用内部主动触发的事件，比如用户点击了按钮、触摸屏幕或某个任务完成后调用的回调函数。

特点:

需要手动触发。
RunLoop 无法通过 Source0 自动唤醒，必须配合其他机制（如 Source1）来激活。

2.Source1（基于 port 的事件源）:

Source1 是基于 port 机制的事件源，用于处理操作系统内核级别的事件。它负责监听操作系统内核发出的事件或消息（如网络 I/O、文件 I/O 等），并通过 port 机制唤醒 RunLoop，然后分发这些事件进行处理。

特点:

基于 port 通信，可以自动唤醒 RunLoop。
用于系统内部和外部进程的消息传递。

总的来说，Source0负责处理应用程序内部的主动事件（用户点击、任务回调等），需要其他机制（Soruce1）唤醒 RunLoop。而Source1 处理基于 port 的系统内核事件（例如进程间通信、网络事件等），并负责唤醒 RunLoop。

举个例子：

我们触摸屏幕，屏幕表面的事件会先包装成Event，Event先告诉source（输入源）（通过mach_port机制），Source1唤醒RunLoop，然后将事件Event分发给Source0，然后由Source0来处理。

事件处理完成后，如果没有新的事件或定时器触发，RunLoop 会再次进入休眠状态，直到下一个事件发生。

iOS使用RunLoop实现的功能

AutoreleasePool

自动释放池的创建和释放，销毁的时机如下所示：

kCFRunLoopEntry; // 进入runloop之前，创建一个自动释放池
kCFRunLoopBeforeWaiting; // 休眠之前，销毁自动释放池，创建一个新的自动释放池
kCFRunLoopExit; // 退出runloop之前，销毁自动释放池

RunLoop 机制的事件响应流程

1. 硬件事件的产生和传递

当一个硬件事件发生时（例如用户触摸屏幕、按下按钮、摇晃设备等），硬件事件被系统底层的 IOKit.framework 捕获，并生成一个 IOHIDEvent 事件。这个事件首先被 SpringBoard 进程接收。SpringBoard 是 iOS 的系统进程，负责处理与设备交互相关的硬件事件，例如锁屏、静音等。

然后，SpringBoard 通过 mach_port 将事件传递给目标 App 的进程。App 中的 RunLoop 会监听来自系统的这些事件。当事件到达时，RunLoop 中注册的 Source1 事件源被触发，唤醒 RunLoop，并执行回调来处理这些事件。

2. _UIApplicationHandleEventQueue() 函数

在事件进入应用进程后，_UIApplicationHandleEventQueue() 函数负责对事件进行处理和分发。例如：

• 将触摸事件包装成 UIEvent 对象。

• 识别触摸的手势是否属于点击、拖拽、缩放等。

• 处理 UI 的交互，比如按钮点击、屏幕旋转等。

如果是常规事件，比如用户点击了一个按钮，系统会通过此函数找到事件的响应目标，比如 UIButton，并触发相应的回调函数。

手势识别

手势事件的识别过程：

• 当 _UIApplicationHandleEventQueue() 识别到某个手势时，它会取消当前的触摸事件处理（比如 touchesBegan、touchesMoved），并标记对应的 UIGestureRecognizer 为“待处理”状态。

• 苹果系统内部注册了一个 RunLoop 观察者，用来监听 BeforeWaiting 阶段（即 RunLoop 即将进入休眠状态）。当 RunLoop 进入这个状态时，观察者的回调 _UIGestureRecognizerUpdateObserver() 会被触发。

• 在这个回调中，系统会处理所有刚标记为“待处理”的手势识别器，执行它们的相应回调函数。比如，用户的双击、滑动等手势就是在这个阶段被识别并处理的。

总结： 手势识别是在 RunLoop 准备进入休眠前的最后阶段进行处理的，这样可以保证手势识别的优先级较高。

页面更新

当我们更新界面（例如修改视图的 frame，或调用 setNeedsLayout / setNeedsDisplay 方法）时，UIView 或 CALayer 会被标记为“待处理”，并加入到系统的待处理队列中。

苹果系统内部同样注册了一个 RunLoop 观察者，用来监听 BeforeWaiting 和 Exit 阶段。当 RunLoop 进入这些状态时，回调 _ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv() 被触发，系统会遍历所有标记为待处理的视图或图层，执行布局更新和重绘操作。

优化提示：

通过将界面更新操作推迟到 RunLoop 休眠前的阶段，可以避免在用户交互时立即刷新界面，从而提高界面响应速度。

定时器NSTimer

NSTimer 工作原理：

• NSTimer 是基于 RunLoop 的定时器，底层实现为 CFRunLoopTimerRef。当你创建一个 NSTimer 并将其添加到 RunLoop 中时，RunLoop 会为定时器注册好未来的触发时间点。

• 定时器回调并不总是会在非常准确的时间点触发，因为 RunLoop 会对定时器进行一些优化。定时器有一个 tolerance 参数，允许指定触发时间的最大误差。这样可以在保证性能的前提下，避免系统资源的浪费。

时间点的错过：

如果在某个时间点执行了一个较长的任务，RunLoop 可能会错过该时间点，直接跳到下一个时间点，而不会延后执行。例如，如果 NSTimer 设置为每 10 秒触发一次，但是某次因为执行长时间任务导致错过了 10:00 的触发点，那么定时器会直接在下一个 10:10 的时间点触发。

总的来说：

1. 事件响应：通过 Source1 唤醒 RunLoop，然后通过 Source0 分发事件。

2. 手势识别：在 BeforeWaiting 阶段处理，优先级较高。

3. 界面更新：在 BeforeWaiting 或 Exit 阶段进行 UI 布局和重绘优化。

4. 定时器：NSTimer 和 CADisplayLink 都通过 RunLoop 处理，注意定时器的容忍度和长时间任务对动画和定时器的影响。

RunLoop实践

1.runloop可以做什么

处理Crash（程序崩溃不退出）
保持线程存活（线程保活）
监测和优化App的卡顿

线程保活（NSOperation和GCD一样可以）（NSCondition加锁保活，不涉及RunLoop）
如果项目需求比较复杂，很多操作都需要在子线程进行，比如有很多耗时操作（图片绘制，视频下载等等），子线程执行完任务之后会自动销毁，频繁的线程创建和销毁会导致资源浪费，此时就可以使用RunLoop进行线程保活而不被销毁。我们知道，当子线程中的任务执行完毕之后就被销毁了，那么如果我们需要开启一个子线程，在程序运行过程中永远都存在，那么我们就会面临一个问题，如何让子线程永远活着，这时就要用到常驻线程：给子线程开启一个RunLoop 注意：子线程执行完操作之后就会立即释放，即使我们使用强引用子线程使子线程不被释放，也不能给子线程再次添加操作，或者再次开启。子线程开启RunLoop的代码，先点击屏幕开启子线程并开启子线程RunLoop，然后点击button。

2.runloop组成

sources/timer/observer（卡顿检测）

其中我们可以通过 RunLoop 的 Observer 机制来检测卡顿。具体思路是：

• 监听 RunLoop 的状态变化。当 RunLoop 处于不同状态时，比如准备处理 Timer、Source、等待事件（进入休眠）、处理事件后等，都可以通过注册相应的回调函数来监听。

• 监控 RunLoop 在处理任务时的时间消耗。如果某个状态持续时间过长（例如在 BeforeWaiting 或 AfterWaiting 状态之间执行任务时超过了一定的阈值），可以认为主线程出现了卡顿。

卡顿优化的话，可以通过将耗时任务移到后台线程、合理使用 NSTimer（适当调整 tolerance（宽容度），可以减少系统资源消耗）、推迟界面更新（线程保活）等方式，可以有效优化卡顿现象，提升应用的流畅度。

影响卡顿的因素：

卡顿跟硬件有关：CPU、GPU

影响CPU性能：IO任务，过多的线程抢占CPU资源、温度过高降频

影响GPU性能：显存频率、渲染算法、大计算量

参考：

https://github.com/miaoqiu/RunLoop?tab=readme-ov-file#%E6%8C%89%E7%85%A7%E5%AE%98%E6%96%B9%E6%96%87%E6%A1%A3source%E7%9A%84%E5%88%86%E7%B1%BB

https://github.com/yanmingLiu/iOSNotes?tab=readme-ov-file#3-runloop

Runloop解析_objective-c runloop-CSDN博客

RunLoop in details | kyryl horbushko