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iOS并发编程(Concurrency Programming)系列之一:Run Loop

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引言: 并发编程是每一个开发工程师需要掌握的基本技能,而只有在深入了解了多线程相关基础之后,我们才能根据需要设计出健壮的多线程机制。本系列主要面向中级的iOS开发工程师,结合个人的开发实践,深入系统地探讨并发编程中核心思想。该系列主要分为:

  1. Run Loop

  2. Operation Queues VS Dispatch Queues (酝酿中)

  3. GCD该怎么用 (酝酿中)

  4. 锁 (酝酿中)

1. 线程?

并发编程,首先不是应该先谈谈线程么?个人不准备详谈线程有以下几个原因:

  1. 线程是基础的知识,是每个CS相关专业的同学都可以铭记入骨的基础概念;

  2. 基本原理方面,本人能力有限,还是《操作系统》这些的经典书籍解释得更清楚明白;

当然,可以看看阮一峰老师的文章进程与线程的一个简单解释,来形象地重温下线程和进程方面的知识。

进程和线程


2. Run Loop 基本概念

在实际iOS的实际开发中,简单线程任务是不建议手动创建一个线程来实现,因为手动创建并管理线程的生命周期比较麻烦,通常会使用系统提供的一些异步方法(performSelectorInBackground: withObject:等)、Operation Queues或者是Dispatch Queues等来实现。而只有当有持续的异步任务需求时,我们才会创建一个独立的生命周期可控的线程,而Run Loop就是控制线程生命周期并接收事件进行处理的机制。

以下是Run Loop的官方定义:

Run loops are part of the fundamental infrastructure associated with threads. A run loop is an event processing loop that you use to schedule work and coordinate the receipt of incoming events. The purpose of a run loop is to keep your thread busy when there is work to do and put your thread to sleep when there is none.

Run Loop

假设进程是一个工厂,线程是一个流水线,那么Run Loop就是流水线上的主管;当接工厂到商家订单,分配给这个流水线时,Run Loop就启动这个流水线,让流水线动起来,生产产品;而当订单的产品生产完毕时,Run Loop就会暂时停下流水线,节约资源。有Run Loop这个主管分配生产任务,流水线才不会因为无所事事被工厂干掉;而工厂转型或者产能升级等原因,不需要这个流水线时,就会辞掉Run Loop这个主管,不再接收任何的订单,即退出线程,把所有的资源释放。

流水线

Run Loop并非iOS/OSX平台专属的概念,在任何平台的多线程编程中,为控制线程生命周期,接收处理异步消息,都需要类似Run Loop的循环机制来实现:从简单的一个无限顺序do{sleep(1);//执行消息}while(true),到高级平台,如Android的Looper,都是类似的机制。

主线程的Run Loop在应用启动的时候就会自动创建,而其他自己创建的线程则需要在该线程下显式地调用[NSRunLoop currentRunLoop],假如该线程还没有线程的话,系统会自动创建一个返回。你不能自己去创建一个Run Loop。需要注意的是Run Loop并非线程安全的,所以需要避免在其他线程上调用当前线程的Run Loop。

3. Run Loop支持的消息事件(Events)

Run Loop支持处理输入源(Input Source)事件和计时器(Timer)事件。其中输入源事件包括:系统的Mach Port事件、以及其他自定义输入事件。其中Mach Port是iOS/OSX系统支持的一种通讯事件;而自定义输入事件则故名思议,是需要你自己根据Run Loop的接口,实现相关的回调,来配置自定义的输入源,让Run Loop能够支持对这写输入源的监听和处理。

Cocoa中已经为开发者实现了一些常用的自定义输入源,如Perform Selector、NSConnection等; 如何配置输入源的使用场景较少,个人也没多少研究,有兴趣的通讯可以查看官方文档

需要注意的是,在启动Run Loop之前,必须先添加监听的输入源事件或者Timer事件,否则调用[runLoop run]会直接返回,而不会进入循环让线程长驻。很多初学的开发者会写如下代码:

- (void)main

{

   NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

   while (!self.isCancelled && !self.isFinished) {

       [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:3]];

   };

}

上述代码,因为Run Loop没有添加任何输入源事件或Timer事件,会立刻返回,这样的话,线程其实是一直在无限循环空转中,虽然是让线程长驻不退出,但会一直占用着CPU的时间片,而没有实现资源的合理分配;在其他线程发送一个事件给该线程,系统会自动为Run Loop添加对应输入源或者Timer,让Run Loop正常运行。也可以手动添加输入源或者Timer来让Run Loop正常运行。添加了输入源或Timer事件的Run Loop在没有事件需要处理时,会让线程进行休眠,而不会占用着CPU的时间片。

而对于没有While循环直接使用Run Loop,而且没有添加输入源或Timer的线程,那么线程会直接完成并进入死亡状态,被系统回收。

正确的使用方法应如下:

- (void)main

{

   NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

   [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];

   while (!self.isCancelled && !self.isFinished) {

       @autoreleasepool {

           [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:3]];

       }

   }

}

注意,Run Loop的每个循环必须加上@autoreleasepool,用于释放每个循环结束后不再需要的内存。

4. Run Loop Modes

官方文档定义:

A run loop mode is a collection of input sources and timers to be monitored and a collection of run loop observers to be notified.

在Run Loop的概念中,Run Loop Mode是一个较难理解的概念,继续上述流水线的例子:Run Loop Mode就是这条流水线上支持生成的产品类型,比如流水线即可生成塑胶类产品,也可以生成纺织类产品,但流水线在一个时刻只能在一种模式下运行,生成某一类型的产品;那当流水线进入生产塑胶类产品的模式时,而消息事件(输入事件Input Source 和 计时器事件)则是订单;接收到标记为塑胶类产品的胶手套的订单时,就可以直接排队放入流水线中生产;而那些标记为纺织类的产品如内衣等,就只能等待,只要当流水线切到生成纺织类模式的时候,才可以生产;而有些订单如鞋子,比较急着出产品,就跟流水线的主管说,可以是胶鞋也可以是布鞋,只要是鞋子就好了,此时,不管此时流水线在那种模式下,都可以直接生产鞋子。

Cocoa定义了四种Mode:

  • Default:NSDefaultRunLoopMode (Cocoa) kCFRunLoopDefaultMode (Core Foundation),默认的模式,在Run Loop没有指定Mode的时候,默认就跑在Default Mode下;

  • Connection:NSConnectionReplyMode (Cocoa),用来监听处理网络请求NSConnection的事件;

  • Modal:NSModalPanelRunLoopMode (Cocoa),OS X的Modal面板事件。

  • Event tracking:UITrackingRunLoopMode(iOS) NSEventTrackingRunLoopMode (Cocoa),用户鼠标触碰的拖动事件;

  • Common modes:NSRunLoopCommonModes (Cocoa) kCFRunLoopCommonModes (Core Foundation)。可以配置的通用模式(通过方法CFRunLoopAddCommonMode来配置添加其他需要支持的模式),在Cocoa中,默认包含了Default、Modal和Event tracking的模式,而在Core Foundation中,只包含了Default模式;

Run Loop可以通过[acceptInputForMode:beforeDate:][runMode:beforeDate:]来指定在一时间之内运行模式。假如不指定的话,Run Loop默认会运行在Default模式下(不断重复调用runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:...)。

在Run Loop模式中我们经常会遇到的一个问题是,在主线程,启动了一个计时器Timer,然后将手指放在一个UITableView或者UIScrollView上拖动时,计时器到了时间也不会执行。这是因为,为了更好的用户体验,在主线程中定义了Event tracking模式的优先级是最高的。当用户在拖动一个控件时,主线程的Run Loop是运行在Event tracking Mode下,而创建的Timer是默认关联为Default Mode,因此线程不会立刻执行Default Mode下接收的事件。解决的方法是:

NSTimer * timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0

                                                      target:self

                                                    selector:@selector(timerFireMethod:)

                                                    userInfo:nil

                                                     repeats:YES];

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

   //或 [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:UITrackingRunLoopMode];

   [timer fire];

5. Run Loop的应用实践

Run Loop主要有以下三个应用场景:


5.1 可维护生命周期的线程

该场景较为常见,Run Loop的作用主要是用于维护线程的生命周期,让线程不自动退出,但可以根据需要调用[thread cancel],或者执行完某任务之后,在isFinished返回YES来退出线程。如下代码:

- (void)main

{

   NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

   [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];

   while (!self.isCancelled && !self.isFinished) {

       @autoreleasepool {

           [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:3]];

       }

   }

}

5.2 长驻线程,用于执行一些预期会一直存在的任务

如下代码,摘自AFNetworking库,创建一个长驻的线程,该线程的生命周期跟App相同,用于发送请求和接收回调。注意,该线程在启动之后,无法通过调用[thread cancel]俩结束线程(甚至removePort:forMode:也无法保证Run Loop会退出,因为系统可能会给Run Loop添加另外一些输入源):

- (void)main

{

   @autoreleasepool {

       NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

       [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];

       [runLoop run];

   }

}

5.3 在一定时间内监听某种事件,或执行某种任务的线程

如下代码所示,在30分钟内,每隔30s执行onTimerFired:。这种场景一般会出现在,如我需要在应用启动之后,在一定时间内持续更新某项数据。

- (void)main

{

   @autoreleasepool {

       NSRunLoop * runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

       NSTimer * udpateTimer = [NSTimer timerWithTimeInterval:30

                                                       target:self

                                                     selector:@selector(onTimerFired:)

                                                     userInfo:nil

                                                      repeats:YES];

       [runLoop addTimer:udpateTimer forMode:NSRunLoopCommonModes];

       [runLoop runUntilDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:60*30]];

   }

}

6. 总结

本文从本人的编程实践出发,主要讲解了我们在使用线程时,需要了解的Run Loop相关知识点,以及常用的场景。由于篇幅和个人的知识有限,本文并没有办法覆盖到Run Loop的方方面面,有兴趣的同学可以继续深入研究。

参考:

  1. Threading Programming Guide

  2. Concurrency Programming Guide

  3. 阮一峰——进程与线程的一个简单解释

  4. Objc.io #2 Concurrent Programming

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建议继续学习:

  1. 一种常见的并发编程场景的处理    (阅读:20036)
  2. 并发编程系列之一:锁的意义    (阅读:4610)
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