深入理解RunLoop

RunLoop 是 iOS 和 OSX 開發中非常基礎的一個概念，這篇文章將從 CFRunLoop 的源碼入手，介紹 RunLoop 的概念以及底層實現原理。之後會介紹一下在 iOS 中，蘋果是如何利用 RunLoop 實現自動釋放池、延遲迴調、觸摸事件、屏幕刷新等功能的。

RunLoop 的概念

一般來講，一個線程一次只能執行一個任務，執行完成後線程就會退出。如果我們需要一個機制，讓線程能隨時處理事件但並不退出，通常的代碼邏輯是這樣的：

function loop() {
    initialize();
    do {
        var message = get_next_message();
        process_message(message);
    } while (message != quit);
}

這種模型通常被稱作 Event Loop。 Event Loop 在很多系統和框架裏都有實現，比如 Node.js 的事件處理，比如 Windows 程序的消息循環，再比如 OSX/iOS 裏的 RunLoop。實現這種模型的關鍵點在於：如何管理事件/消息，如何讓線程在沒有處理消息時休眠以避免資源佔用、在有消息到來時立刻被喚醒。

所以，RunLoop 實際上就是一個對象，這個對象管理了其需要處理的事件和消息，並提供了一個入口函數來執行上面 Event Loop 的邏輯。線程執行了這個函數後，就會一直處於這個函數內部 "接受消息->等待->處理" 的循環中，直到這個循環結束（比如傳入 quit 的消息），函數返回。

OSX/iOS 系統中，提供了兩個這樣的對象：NSRunLoop 和 CFRunLoopRef。
CFRunLoopRef 是在 CoreFoundation 框架內的，它提供了純 C 函數的 API，所有這些 API 都是線程安全的。
NSRunLoop 是基於 CFRunLoopRef 的封裝，提供了面向對象的 API，但是這些 API 不是線程安全的。

CFRunLoopRef 的代碼是開源的，你可以在這裏 http://opensource.apple.com/tarballs/CF/CF-855.17.tar.gz 下載到整個 CoreFoundation 的源碼。爲了方便跟蹤和查看，你可以新建一個 Xcode 工程，把這堆源碼拖進去看。

RunLoop 與線程的關係

首先，iOS 開發中能遇到兩個線程對象: pthread_t 和 NSThread。過去蘋果有份文檔標明瞭 NSThread 只是 pthread_t 的封裝，但那份文檔已經失效了，現在它們也有可能都是直接包裝自最底層的 mach thread。蘋果並沒有提供這兩個對象相互轉換的接口，但不管怎麼樣，可以肯定的是 pthread_t 和 NSThread 是一一對應的。比如，你可以通過 pthread_main_thread_np() 或 [NSThread mainThread] 來獲取主線程；也可以通過 pthread_self() 或 [NSThread currentThread] 來獲取當前線程。CFRunLoop 是基於 pthread 來管理的。

蘋果不允許直接創建 RunLoop，它只提供了兩個自動獲取的函數：CFRunLoopGetMain() 和 CFRunLoopGetCurrent()。 這兩個函數內部的邏輯大概是下面這樣:

/// 全局的Dictionary，key 是 pthread_t， value 是 CFRunLoopRef
staticCFMutableDictionaryRefloopsDic;
/// 訪問 loopsDic 時的鎖
staticCFSpinLock_tloopsLock;

/// 獲取一個 pthread 對應的 RunLoop。
CFRunLoopRef_CFRunLoopGet(pthread_tthread){
    OSSpinLockLock(&loopsLock);

    if(!loopsDic){
        // 第一次進入時，初始化全局Dic，並先爲主線程創建一個 RunLoop。
        loopsDic=CFDictionaryCreateMutable();
        CFRunLoopRefmainLoop=_CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic,pthread_main_thread_np(),mainLoop);
    }

    /// 直接從 Dictionary 裏獲取。
    CFRunLoopRefloop=CFDictionaryGetValue(loopsDic,thread));

    if(!loop){
        /// 取不到時，創建一個
        loop=_CFRunLoopCreate();
        CFDictionarySetValue(loopsDic,thread,loop);
        /// 註冊一個回調，當線程銷燬時，順便也銷燬其對應的 RunLoop。
        _CFSetTSD(...,thread,loop,__CFFinalizeRunLoop);
    }

    OSSpinLockUnLock(&loopsLock);
    returnloop;
}

CFRunLoopRefCFRunLoopGetMain(){
    return_CFRunLoopGet(pthread_main_thread_np());
}

CFRunLoopRefCFRunLoopGetCurrent(){
    return_CFRunLoopGet(pthread_self());
}

從上面的代碼可以看出，線程和 RunLoop 之間是一一對應的，其關係是保存在一個全局的 Dictionary 裏。線程剛創建時並沒有 RunLoop，如果你不主動獲取，那它一直都不會有。RunLoop 的創建是發生在第一次獲取時，RunLoop 的銷燬是發生在線程結束時。你只能在一個線程的內部獲取其 RunLoop（主線程除外）。

RunLoop 對外的接口

在 CoreFoundation 裏面關於 RunLoop 有5個類:

CFRunLoopRef
CFRunLoopModeRef
CFRunLoopSourceRef
CFRunLoopTimerRef
CFRunLoopObserverRef

其中 CFRunLoopModeRef 類並沒有對外暴露，只是通過 CFRunLoopRef 的接口進行了封裝。他們的關係如下:

一個 RunLoop 包含若干個 Mode，每個 Mode 又包含若干個 Source/Timer/Observer。每次調用 RunLoop 的主函數時，只能指定其中一個 Mode，這個Mode被稱作 CurrentMode。如果需要切換 Mode，只能退出 Loop，再重新指定一個 Mode 進入。這樣做主要是爲了分隔開不同組的 Source/Timer/Observer，讓其互不影響。

CFRunLoopSourceRef 是事件產生的地方。Source有兩個版本：Source0 和 Source1。
• Source0 只包含了一個回調（函數指針），它並不能主動觸發事件。使用時，你需要先調用 CFRunLoopSourceSignal(source)，將這個 Source 標記爲待處理，然後手動調用 CFRunLoopWakeUp(runloop) 來喚醒 RunLoop，讓其處理這個事件。
• Source1 包含了一個 mach_port 和一個回調（函數指針），被用於通過內核和其他線程相互發送消息。這種 Source 能主動喚醒 RunLoop 的線程，其原理在下面會講到。

CFRunLoopTimerRef 是基於時間的觸發器，它和 NSTimer 是toll-free bridged 的，可以混用。其包含一個時間長度和一個回調（函數指針）。當其加入到 RunLoop 時，RunLoop會註冊對應的時間點，當時間點到時，RunLoop會被喚醒以執行那個回調。

CFRunLoopObserverRef 是觀察者，每個 Observer 都包含了一個回調（函數指針），當 RunLoop 的狀態發生變化時，觀察者就能通過回調接受到這個變化。可以觀測的時間點有以下幾個：

typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry         = (1UL << 0), // 即將進入Loop
    kCFRunLoopBeforeTimers  = (1UL << 1), // 即將處理 Timer
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2), // 即將處理 Source
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5), // 即將進入休眠
    kCFRunLoopAfterWaiting  = (1UL << 6), // 剛從休眠中喚醒
    kCFRunLoopExit          = (1UL << 7), // 即將退出Loop
};

上面的 Source/Timer/Observer 被統稱爲 mode item，一個 item 可以被同時加入多個 mode。但一個 item 被重複加入同一個 mode 時是不會有效果的。如果一個 mode 中一個 item 都沒有，則 RunLoop 會直接退出，不進入循環。

RunLoop 的 Mode

CFRunLoopMode 和 CFRunLoop 的結構大致如下：

struct__CFRunLoopMode{
    CFStringRef_name;            // Mode Name, 例如 @"kCFRunLoopDefaultMode"
    CFMutableSetRef_sources0;    // Set
    CFMutableSetRef_sources1;    // Set
    CFMutableArrayRef_observers;// Array
    CFMutableArrayRef_timers;    // Array
    ...
};

struct__CFRunLoop{
    CFMutableSetRef_commonModes;    // Set
    CFMutableSetRef_commonModeItems;// Set<Source/Observer/Timer>
    CFRunLoopModeRef_currentMode;    // Current Runloop Mode
    CFMutableSetRef_modes;          // Set
    ...
};

這裏有個概念叫 "CommonModes"：一個 Mode 可以將自己標記爲"Common"屬性（通過將其 ModeName 添加到 RunLoop 的 "commonModes" 中）。每當 RunLoop 的內容發生變化時，RunLoop 都會自動將 _commonModeItems 裏的 Source/Observer/Timer 同步到具有 "Common" 標記的所有Mode裏。

應用場景舉例：主線程的 RunLoop 裏有兩個預置的 Mode：kCFRunLoopDefaultMode 和 UITrackingRunLoopMode。這兩個 Mode 都已經被標記爲"Common"屬性。DefaultMode 是 App 平時所處的狀態，TrackingRunLoopMode 是追蹤 ScrollView 滑動時的狀態。當你創建一個 Timer 並加到 DefaultMode 時，Timer 會得到重複回調，但此時滑動一個TableView時，RunLoop 會將 mode 切換爲 TrackingRunLoopMode，這時 Timer 就不會被回調，並且也不會影響到滑動操作。

有時你需要一個 Timer，在兩個 Mode 中都能得到回調，一種辦法就是將這個 Timer 分別加入這兩個 Mode。還有一種方式，就是將 Timer 加入到頂層的 RunLoop 的 "commonModeItems" 中。"commonModeItems" 被 RunLoop 自動更新到所有具有"Common"屬性的 Mode 裏去。

CFRunLoop對外暴露的管理 Mode 接口只有下面2個:

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

Mode 暴露的管理 mode item 的接口有下面幾個：

CFRunLoopAddSource(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopSourceRefsource,CFStringRefmodeName);
CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopObserverRefobserver,CFStringRefmodeName);
CFRunLoopAddTimer(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopTimerReftimer,CFStringRefmode);
CFRunLoopRemoveSource(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopSourceRefsource,CFStringRefmodeName);
CFRunLoopRemoveObserver(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopObserverRefobserver,CFStringRefmodeName);
CFRunLoopRemoveTimer(CFRunLoopRefrl,CFRunLoopTimerReftimer,CFStringRefmode);

你只能通過 mode name 來操作內部的 mode，當你傳入一個新的 mode name 但 RunLoop 內部沒有對應 mode 時，RunLoop會自動幫你創建對應的 CFRunLoopModeRef。對於一個 RunLoop 來說，其內部的 mode 只能增加不能刪除。

蘋果公開提供的 Mode 有兩個：kCFRunLoopDefaultMode (NSDefaultRunLoopMode) 和 UITrackingRunLoopMode，你可以用這兩個 Mode Name 來操作其對應的 Mode。

同時蘋果還提供了一個操作 Common 標記的字符串：kCFRunLoopCommonModes (NSRunLoopCommonModes)，你可以用這個字符串來操作 Common Items，或標記一個 Mode 爲 "Common"。使用時注意區分這個字符串和其他 mode name。

RunLoop 的內部邏輯

根據蘋果在文檔裏的說明，RunLoop 內部的邏輯大致如下:

其內部代碼整理如下 （太長了不想看可以直接跳過去，後面會有說明）：

/// 用DefaultMode啓動
void CFRunLoopRun(void) {
    CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode, 1.0e10, false);
}

/// 用指定的Mode啓動，允許設置RunLoop超時時間
int CFRunLoopRunInMode(CFStringRef modeName, CFTimeInterval seconds, Boolean stopAfterHandle) {
    return CFRunLoopRunSpecific(CFRunLoopGetCurrent(), modeName, seconds, returnAfterSourceHandled);
}

/// RunLoop的實現
int CFRunLoopRunSpecific(runloop, modeName, seconds, stopAfterHandle) {

    /// 首先根據modeName找到對應mode
    CFRunLoopModeRef currentMode = __CFRunLoopFindMode(runloop, modeName, false);
    /// 如果mode裏沒有source/timer/observer, 直接返回。
    if (__CFRunLoopModeIsEmpty(currentMode)) return;

    /// 1. 通知 Observers: RunLoop 即將進入 loop。
    __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopEntry);

    /// 內部函數，進入loop
    __CFRunLoopRun(runloop, currentMode, seconds, returnAfterSourceHandled) {

        Boolean sourceHandledThisLoop = NO;
        int retVal = 0;
        do {

            /// 2. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Timer 回調。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeTimers);
            /// 3. 通知 Observers: RunLoop 即將觸發 Source0 (非port) 回調。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeSources);
            /// 執行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 4. RunLoop 觸發 Source0 (非port) 回調。
            sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSources0(runloop, currentMode, stopAfterHandle);
            /// 執行被加入的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);

            /// 5. 如果有 Source1 (基於port) 處於 ready 狀態，直接處理這個 Source1 然後跳轉去處理消息。
            if (__Source0DidDispatchPortLastTime) {
                Boolean hasMsg = __CFRunLoopServiceMachPort(dispatchPort, &msg)
                if (hasMsg) goto handle_msg;
            }

            /// 通知 Observers: RunLoop 的線程即將進入休眠(sleep)。
            if (!sourceHandledThisLoop) {
                __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopBeforeWaiting);
            }

            /// 7. 調用 mach_msg 等待接受 mach_port 的消息。線程將進入休眠, 直到被下面某一個事件喚醒。
            /// • 一個基於 port 的Source 的事件。
            /// • 一個 Timer 到時間了
            /// • RunLoop 自身的超時時間到了
            /// • 被其他什麼調用者手動喚醒
            __CFRunLoopServiceMachPort(waitSet, &msg, sizeof(msg_buffer), &livePort) {
                mach_msg(msg, MACH_RCV_MSG, port); // thread wait for receive msg
            }

            /// 8. 通知 Observers: RunLoop 的線程剛剛被喚醒了。
            __CFRunLoopDoObservers(runloop, currentMode, kCFRunLoopAfterWaiting);

            /// 收到消息，處理消息。
            handle_msg:

            /// 9.1 如果一個 Timer 到時間了，觸發這個Timer的回調。
            if (msg_is_timer) {
                __CFRunLoopDoTimers(runloop, currentMode, mach_absolute_time())
            }

            /// 9.2 如果有dispatch到main_queue的block，執行block。
            else if (msg_is_dispatch) {
                __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(msg);
            }

            /// 9.3 如果一個 Source1 (基於port) 發出事件了，處理這個事件
            else {
                CFRunLoopSourceRef source1 = __CFRunLoopModeFindSourceForMachPort(runloop, currentMode, livePort);
                sourceHandledThisLoop = __CFRunLoopDoSource1(runloop, currentMode, source1, msg);
                if (sourceHandledThisLoop) {
                    mach_msg(reply, MACH_SEND_MSG, reply);
                }
            }

            /// 執行加入到Loop的block
            __CFRunLoopDoBlocks(runloop, currentMode);


            if (sourceHandledThisLoop && stopAfterHandle) {
                /// 進入loop時參數說處理完事件就返回。
                retVal = kCFRunLoopRunHandledSource;
            } else if (timeout) {
                /// 超出傳入參數標記的超時時間了
                retVal = kCFRunLoopRunTimedOut;
            } else if (__CFRunLoopIsStopped(runloop)) {
                /// 被外部調用者強制停止了
                retVal = kCFRunLoopRunStopped;
            } else if (__CFRunLoopModeIsEmpty(runloop, currentMode)) {
                /// source/timer/observer一個都沒有了
                retVal = kCFRunLoopRunFinished;
            }

            /// 如果沒超時，mode裏沒空，loop也沒被停止，那繼續loop。
        } while (retVal == 0);
    }

    /// 10. 通知 Observers: RunLoop 即將退出。
    __CFRunLoopDoObservers(rl, currentMode, kCFRunLoopExit);
}

可以看到，實際上 RunLoop 就是這樣一個函數，其內部是一個 do-while 循環。當你調用 CFRunLoopRun() 時，線程就會一直停留在這個循環裏；直到超時或被手動停止，該函數纔會返回。

RunLoop 的底層實現

從上面代碼可以看到，RunLoop 的核心是基於 mach port 的，其進入休眠時調用的函數是 mach_msg()。爲了解釋這個邏輯，下面稍微介紹一下 OSX/iOS 的系統架構。

蘋果官方將整個系統大致劃分爲上述4個層次：
應用層包括用戶能接觸到的圖形應用，例如 Spotlight、Aqua、SpringBoard 等。
應用框架層即開發人員接觸到的 Cocoa 等框架。
核心框架層包括各種核心框架、OpenGL 等內容。
Darwin 即操作系統的核心，包括系統內核、驅動、Shell 等內容，這一層是開源的，其所有源碼都可以在 opensource.apple.com 裏找到。

我們在深入看一下 Darwin 這個核心的架構：

其中，在硬件層上面的三個組成部分：Mach、BSD、IOKit (還包括一些上面沒標註的內容)，共同組成了 XNU 內核。
XNU 內核的內環被稱作 Mach，其作爲一個微內核，僅提供了諸如處理器調度、IPC (進程間通信)等非常少量的基礎服務。
BSD 層可以看作圍繞 Mach 層的一個外環，其提供了諸如進程管理、文件系統和網絡等功能。
IOKit 層是爲設備驅動提供了一個面向對象(C++)的一個框架。

Mach 本身提供的 API 非常有限，而且蘋果也不鼓勵使用 Mach 的 API，但是這些API非常基礎，如果沒有這些API的話，其他任何工作都無法實施。在 Mach 中，所有的東西都是通過自己的對象實現的，進程、線程和虛擬內存都被稱爲"對象"。和其他架構不同， Mach 的對象間不能直接調用，只能通過消息傳遞的方式實現對象間的通信。"消息"是 Mach 中最基礎的概念，消息在兩個端口 (port) 之間傳遞，這就是 Mach 的 IPC (進程間通信) 的核心。

Mach 的消息定義是在 <mach/message.h> 頭文件的，很簡單：

typedefstruct{
  mach_msg_header_theader;
  mach_msg_body_tbody;
}mach_msg_base_t;

typedefstruct{
  mach_msg_bits_tmsgh_bits;
  mach_msg_size_tmsgh_size;
  mach_port_tmsgh_remote_port;
  mach_port_tmsgh_local_port;
  mach_port_name_tmsgh_voucher_port;
  mach_msg_id_tmsgh_id;
}mach_msg_header_t;

一條 Mach 消息實際上就是一個二進制數據包 (BLOB)，其頭部定義了當前端口 local_port 和目標端口 remote_port，
發送和接受消息是通過同一個 API 進行的，其 option 標記了消息傳遞的方向：

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);

爲了實現消息的發送和接收，mach_msg() 函數實際上是調用了一個 Mach 陷阱 (trap)，即函數mach_msg_trap()，陷阱這個概念在 Mach 中等同於系統調用。當你在用戶態調用 mach_msg_trap() 時會觸發陷阱機制，切換到內核態；內核態中內核實現的 mach_msg() 函數會完成實際的工作，如下圖：

這些概念可以參考維基百科: System_call、Trap_(computing)。

RunLoop 的核心就是一個 mach_msg() (見上面代碼的第7步)，RunLoop 調用這個函數去接收消息，如果沒有別人發送 port 消息過來，內核會將線程置於等待狀態。例如你在模擬器裏跑起一個 iOS 的 App，然後在 App 靜止時點擊暫停，你會看到主線程調用棧是停留在 mach_msg_trap() 這個地方。

關於具體的如何利用 mach port 發送信息，可以看看 NSHipster 這一篇文章，或者這裏的中文翻譯 。

關於Mach的歷史可以看看這篇很有趣的文章：Mac OS X 背後的故事（三）Mach 之父 Avie Tevanian。

蘋果用 RunLoop 實現的功能

首先我們可以看一下 App 啓動後 RunLoop 的狀態：

CFRunLoop{
    currentmode=kCFRunLoopDefaultMode
    commonmodes={
        UITrackingRunLoopMode
        kCFRunLoopDefaultMode
    }

    commonmodeitems={

        // 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,
            nextfiredate=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，系統默認註冊了5個Mode:
1. kCFRunLoopDefaultMode: App的默認 Mode，通常主線程是在這個 Mode 下運行的。
2. UITrackingRunLoopMode: 界面跟蹤 Mode，用於 ScrollView 追蹤觸摸滑動，保證界面滑動時不受其他 Mode 影響。
3. UIInitializationRunLoopMode: 在剛啓動 App 時第進入的第一個 Mode，啓動完成後就不再使用。
4: GSEventReceiveRunLoopMode: 接受系統事件的內部 Mode，通常用不到。
5: kCFRunLoopCommonModes: 這是一個佔位的 Mode，沒有實際作用。

你可以在這裏看到更多的蘋果內部的 Mode，但那些 Mode 在開發中就很難遇到了。

當 RunLoop 進行回調時，一般都是通過一個很長的函數調用出去 (call out), 當你在你的代碼中下斷點調試時，通常能在調用棧上看到這些函數。下面是這幾個函數的整理版本，如果你在調用棧中看到這些長函數名，在這裏查找一下就能定位到具體的調用地點了：

{
    /// 1. 通知Observers，即將進入RunLoop
    /// 此處有Observer會創建AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPush();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopEntry);
    do {

        /// 2. 通知 Observers: 即將觸發 Timer 回調。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeTimers);
        /// 3. 通知 Observers: 即將觸發 Source (非基於port的,Source0) 回調。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopBeforeSources);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

        /// 4. 觸發 Source0 (非基於port的) 回調。
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(source0);
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__(block);

        /// 6. 通知Observers，即將進入休眠
        /// 此處有Observer釋放並新建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，線程被喚醒
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopAfterWaiting);

        /// 9. 如果是被Timer喚醒的，回調Timer
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__(timer);

        /// 9. 如果是被dispatch喚醒的，執行所有調用 dispatch_async 等方法放入main queue 的 block
        __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__(dispatched_block);

        /// 9. 如果如果Runloop是被 Source1 (基於port的) 的事件喚醒了，處理這個事件
        __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__(source1);


    } while (...);

    /// 10. 通知Observers，即將退出RunLoop
    /// 此處有Observer釋放AutoreleasePool: _objc_autoreleasePoolPop();
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__(kCFRunLoopExit);
}

AutoreleasePool

App啓動後，蘋果在主線程 RunLoop 裏註冊了兩個 Observer，其回調都是 _wrapRunLoopWithAutoreleasePoolHandler()。

第一個 Observer 監視的事件是 Entry(即將進入Loop)，其回調內會調用 _objc_autoreleasePoolPush() 創建自動釋放池。其 order 是-2147483647，優先級最高，保證創建釋放池發生在其他所有回調之前。

第二個 Observer 監視了兩個事件： BeforeWaiting(準備進入休眠) 時調用_objc_autoreleasePoolPop() 和 _objc_autoreleasePoolPush() 釋放舊的池並創建新池；Exit(即將退出Loop) 時調用 _objc_autoreleasePoolPop() 來釋放自動釋放池。這個 Observer 的 order 是 2147483647，優先級最低，保證其釋放池子發生在其他所有回調之後。

在主線程執行的代碼，通常是寫在諸如事件回調、Timer回調內的。這些回調會被 RunLoop 創建好的 AutoreleasePool 環繞着，所以不會出現內存泄漏，開發者也不必顯示創建 Pool 了。

事件響應

蘋果註冊了一個 Source1 (基於 mach port 的) 用來接收系統事件，其回調函數爲 __IOHIDEventSystemClientQueueCallback()。

當一個硬件事件(觸摸/鎖屏/搖晃等)發生後，首先由 IOKit.framework 生成一個 IOHIDEvent 事件並由 SpringBoard 接收。這個過程的詳細情況可以參考這裏。SpringBoard 只接收按鍵(鎖屏/靜音等)，觸摸，加速，接近傳感器等幾種 Event，隨後用 mach port 轉發給需要的App進程。隨後蘋果註冊的那個 Source1 就會觸發回調，並調用 _UIApplicationHandleEventQueue() 進行應用內部的分發。

_UIApplicationHandleEventQueue() 會把 IOHIDEvent 處理幷包裝成 UIEvent 進行處理或分發，其中包括識別 UIGesture/處理屏幕旋轉/發送給 UIWindow 等。通常事件比如 UIButton 點擊、touchesBegin/Move/End/Cancel 事件都是在這個回調中完成的。

手勢識別

當上面的 _UIApplicationHandleEventQueue() 識別了一個手勢時，其首先會調用 Cancel 將當前的 touchesBegin/Move/End 系列回調打斷。隨後系統將對應的 UIGestureRecognizer 標記爲待處理。

蘋果註冊了一個 Observer 監測 BeforeWaiting (Loop即將進入休眠) 事件，這個Observer的回調函數是 _UIGestureRecognizerUpdateObserver()，其內部會獲取所有剛被標記爲待處理的 GestureRecognizer，並執行GestureRecognizer的回調。

當有 UIGestureRecognizer 的變化(創建/銷燬/狀態改變)時，這個回調都會進行相應處理。

界面更新

當在操作 UI 時，比如改變了 Frame、更新了 UIView/CALayer 的層次時，或者手動調用了 UIView/CALayer 的 setNeedsLayout/setNeedsDisplay方法後，這個 UIView/CALayer 就被標記爲待處理，並被提交到一個全局的容器去。

蘋果註冊了一個 Observer 監聽 BeforeWaiting(即將進入休眠) 和 Exit (即將退出Loop) 事件，回調去執行一個很長的函數：
_ZN2CA11Transaction17observer_callbackEP19__CFRunLoopObservermPv()。這個函數裏會遍歷所有待處理的 UIView/CAlayer 以執行實際的繪製和調整，並更新 UI 界面。

這個函數內部的調用棧大概是這樣的：

_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();
                        [CALayerlayoutSublayers];
                            [UIViewlayoutSubviews];
                    CA::Layer::display_if_needed();
                        [CALayerdisplay];
                            [UIViewdrawRect];

定時器

NSTimer 其實就是 CFRunLoopTimerRef，他們之間是 toll-free bridged 的。一個 NSTimer 註冊到 RunLoop 後，RunLoop 會爲其重複的時間點註冊好事件。例如 10:00, 10:10, 10:20 這幾個時間點。RunLoop爲了節省資源，並不會在非常準確的時間點回調這個Timer。Timer 有個屬性叫做 Tolerance (寬容度)，標示了當時間點到後，容許有多少最大誤差。

如果某個時間點被錯過了，例如執行了一個很長的任務，則那個時間點的回調也會跳過去，不會延後執行。就比如等公交，如果 10:10 時我忙着玩手機錯過了那個點的公交，那我只能等 10:20 這一趟了。

CADisplayLink 是一個和屏幕刷新率一致的定時器（但實際實現原理更復雜，和 NSTimer 並不一樣，其內部實際是操作了一個 Source）。如果在兩次屏幕刷新之間執行了一個長任務，那其中就會有一幀被跳過去（和 NSTimer 相似），造成界面卡頓的感覺。在快速滑動TableView時，即使一幀的卡頓也會讓用戶有所察覺。Facebook 開源的 AsyncDisplayLink 就是爲了解決界面卡頓的問題，其內部也用到了 RunLoop，這個稍後我會再單獨寫一頁博客來分析。

PerformSelecter

當調用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 後，實際上其內部會創建一個 Timer 並添加到當前線程的 RunLoop 中。所以如果當前線程沒有 RunLoop，則這個方法會失效。

當調用 performSelector:onThread: 時，實際上其會創建一個 Timer 加到對應的線程去，同樣的，如果對應線程沒有 RunLoop 該方法也會失效。

關於GCD

實際上 RunLoop 底層也會用到 GCD 的東西，比如 RunLoop 是用 dispatch_source_t 實現的 Timer（評論中有人提醒，NSTimer 是用了 XNU 內核的 mk_timer，我也仔細調試了一下，發現 NSTimer 確實是由 mk_timer 驅動，而非 GCD 驅動的）。但同時 GCD 提供的某些接口也用到了 RunLoop， 例如 dispatch_async()。

當調用 dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), block) 時，libDispatch 會向主線程的 RunLoop 發送消息，RunLoop會被喚醒，並從消息中取得這個 block，並在回調 __CFRUNLOOP_IS_SERVICING_THE_MAIN_DISPATCH_QUEUE__() 裏執行這個 block。但這個邏輯僅限於 dispatch 到主線程，dispatch 到其他線程仍然是由 libDispatch 處理的。

關於網絡請求

iOS 中，關於網絡請求的接口自下至上有如下幾層:

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

• CFSocket 是最底層的接口，只負責 socket 通信。
• CFNetwork 是基於 CFSocket 等接口的上層封裝，ASIHttpRequest 工作於這一層。
• NSURLConnection 是基於 CFNetwork 的更高層的封裝，提供面向對象的接口，AFNetworking 工作於這一層。
• NSURLSession 是 iOS7 中新增的接口，表面上是和 NSURLConnection 並列的，但底層仍然用到了 NSURLConnection 的部分功能 (比如 com.apple.NSURLConnectionLoader 線程)，AFNetworking2 和 Alamofire 工作於這一層。

下面主要介紹下 NSURLConnection 的工作過程。

通常使用 NSURLConnection 時，你會傳入一個 Delegate，當調用了 [connection start] 後，這個 Delegate 就會不停收到事件回調。實際上，start 這個函數的內部會會獲取 CurrentRunLoop，然後在其中的 DefaultMode 添加了4個 Source0 (即需要手動觸發的Source)。CFMultiplexerSource 是負責各種 Delegate 回調的，CFHTTPCookieStorage 是處理各種 Cookie 的。

當開始網絡傳輸時，我們可以看到 NSURLConnection 創建了兩個新線程：com.apple.NSURLConnectionLoader 和 com.apple.CFSocket.private。其中 CFSocket 線程是處理底層 socket 連接的。NSURLConnectionLoader 這個線程內部會使用 RunLoop 來接收底層 socket 的事件，並通過之前添加的 Source0 通知到上層的 Delegate。

NSURLConnectionLoader 中的 RunLoop 通過一些基於 mach port 的 Source 接收來自底層 CFSocket 的通知。當收到通知後，其會在合適的時機向 CFMultiplexerSource 等 Source0 發送通知，同時喚醒 Delegate 線程的 RunLoop 來讓其處理這些通知。CFMultiplexerSource 會在 Delegate 線程的 RunLoop 對 Delegate 執行實際的回調。

RunLoop 的實際應用舉例

AFNetworking

AFURLConnectionOperation 這個類是基於 NSURLConnection 構建的，其希望能在後臺線程接收 Delegate 回調。爲此 AFNetworking 單獨創建了一個線程，並在這個線程中啓動了一個 RunLoop：

+(void)networkRequestThreadEntryPoint:(id)__unusedobject{
    @autoreleasepool{
        [[NSThreadcurrentThread]setName:@"AFNetworking"];
        NSRunLoop *runLoop=[NSRunLoopcurrentRunLoop];
        [runLoopaddPort:[NSMachPortport]forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLooprun];
    }
}

+(NSThread *)networkRequestThread{
    staticNSThread *_networkRequestThread=nil;
    staticdispatch_once_toncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate,^{
        _networkRequestThread=[[NSThreadalloc]initWithTarget:selfselector:@selector(networkRequestThreadEntryPoint:)object:nil];
        [_networkRequestThreadstart];
    });
    return_networkRequestThread;
}

RunLoop 啓動前內部必須要有至少一個 Timer/Observer/Source，所以 AFNetworking 在 [runLoop run] 之前先創建了一個新的 NSMachPort 添加進去了。通常情況下，調用者需要持有這個 NSMachPort (mach_port) 並在外部線程通過這個 port 發送消息到 loop 內；但此處添加 port 只是爲了讓 RunLoop 不至於退出，並沒有用於實際的發送消息。

-(void)start{
    [self.locklock];
    if([selfisCancelled]){
        [selfperformSelector:@selector(cancelConnection)onThread:[[selfclass]networkRequestThread]withObject:nilwaitUntilDone:NOmodes:[self.runLoopModesallObjects]];
    }elseif([selfisReady]){
        self.state=AFOperationExecutingState;
        [selfperformSelector:@selector(operationDidStart)onThread:[[selfclass]networkRequestThread]withObject:nilwaitUntilDone:NOmodes:[self.runLoopModesallObjects]];
    }
    [self.lockunlock];
}

當需要這個後臺線程執行任務時，AFNetworking 通過調用 [NSObject performSelector:onThread:..] 將這個任務扔到了後臺線程的 RunLoop 中。

AsyncDisplayKit

AsyncDisplayKit 是 Facebook 推出的用於保持界面流暢性的框架，其原理大致如下：

UI 線程中一旦出現繁重的任務就會導致界面卡頓，這類任務通常分爲3類：排版，繪製，UI對象操作。

排版通常包括計算視圖大小、計算文本高度、重新計算子式圖的排版等操作。
繪製一般有文本繪製 (例如 CoreText)、圖片繪製 (例如預先解壓)、元素繪製 (Quartz)等操作。
UI對象操作通常包括 UIView/CALayer 等 UI 對象的創建、設置屬性和銷燬。

其中前兩類操作可以通過各種方法扔到後臺線程執行，而最後一類操作只能在主線程完成，並且有時後面的操作需要依賴前面操作的結果 （例如TextView創建時可能需要提前計算出文本的大小）。ASDK 所做的，就是儘量將能放入後臺的任務放入後臺，不能的則儘量推遲 (例如視圖的創建、屬性的調整)。

爲此，ASDK 創建了一個名爲 ASDisplayNode 的對象，並在內部封裝了 UIView/CALayer，它具有和 UIView/CALayer 相似的屬性，例如 frame、backgroundColor等。所有這些屬性都可以在後臺線程更改，開發者可以只通過 Node 來操作其內部的 UIView/CALayer，這樣就可以將排版和繪製放入了後臺線程。但是無論怎麼操作，這些屬性總需要在某個時刻同步到主線程的 UIView/CALayer 去。

ASDK 仿照 QuartzCore/UIKit 框架的模式，實現了一套類似的界面更新的機制：即在主線程的 RunLoop 中添加一個 Observer，監聽了 kCFRunLoopBeforeWaiting 和 kCFRunLoopExit 事件，在收到回調時，遍歷所有之前放入隊列的待處理的任務，然後一一執行。
具體的代碼可以看這裏：_ASAsyncTransactionGroup。