iOS多线程编程Part 1/3_移动开发_编程开发_程序员俱乐部

前言

多线程的价值无需赘述，对于App性能和用户体验都有着至关重要的意义，在iOS开发中，Apple提供了不同的技术支持多线程编程，除了跨平台的pthread之外，还提供了NSThread、NSOperationQueue、GCD等多线程技术，从本篇Blog开始介绍这几种多线程技术的细节。

对于pthread这种跨平台的多线程技术，这本Programming with POSIX Threads做了详细介绍，不再提及。

NSThread

使用NSThead创建线程有很多方法：

• +detachNewThreadSelector:toTarget:withObject:类方法直接生成一个子线程

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monospace; font-size: 0.9em; background-image: none; border-image: none;">[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadRoutine:) toTarget:self withObject:nil];

• 创建一个NSThread类实例，然后调用start方法。

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NSThread* aThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadRoutine:) object:nil];
[aThread start];

• 调用NSObject的+performSelectorInBackground:withObject:方法生成子线程。

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[myObj performSelectorInBackground:@selector(threadRoutine:) withObject:nil];

• 创建一个NSThread子类，然后调用子类实例的start方法，。

创建线程也是有开销的，iOS下主要成本包括构造内核数据结构（大约1KB）、栈空间（子线程512KB、主线程1MB，不过可以使用方法-setStackSize:自己设置，注意必须是4K的倍数，而且最小是16K），创建线程大约需要90毫秒的创建时间。

第二种和第四种方法创建的线程有个好处是拥有线程的对象，因此可以使用performSelector:onThread:withObject:waitUntilDone:在该线程上执行方法，这是一种非常方便的线程间通讯的方法（相对于设置麻烦的NSPort用于通讯），所要执行的方法可以直接添加到目标线程的Runloop中执行。Apple建议使用这个接口运行的方法不要是耗时或者频繁的操作，以免子线程的负载过重。

第三种方法其实与第一种方法是一样的，都会直接生成一个子线程。

上面四种方法生成的子线程都是detached状态，即主线程结束时这些线程都会被直接杀死；如果要生成joinable状态的子线程，只能使用pthread接口啦。

如果需要，可以设置线程的优先级(-setThreadPriority:)；如果要在线程中保存一些状态信息，还可以使用到-threadDictionary得到一个NSMutableDictionary，以key-value的方式保存信息用于线程内读写。

NSThread的入口方法

要写一个有效的子线程入口方法需要注意很多问题，示例代码：

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- (void)threadRoutine
{
    NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
  BOOL moreWorkToDo = YES;
    BOOL exitNow = NO;
    NSRunLoop* runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
    NSMutableDictionary* threadDict = [[NSThread currentThread] threadDictionary];
    [threadDict setValue:[NSNumber numberWithBool:exitNow] forKey:@"ThreadShouldExitNow"];
  //添加事件源
    [self myInstallCustomInputSource];
    while (moreWorkToDo && !exitNow)
    {
        //执行线程真正的工作方法，如果完成了可以设置moreWorkToDo为False
        [runLoop runUntilDate:[NSDate date]];
        exitNow = [[threadDict valueForKey:@"ThreadShouldExitNow"] boolValue];
    }
    [pool release];
}

• 必须创建一个NSAutoreleasePool，因为子线程不会自动创建。同时要注意这个pool因为是最外层pool，如果线程中要进行长时间的操作生成大量autoreleased的对象，则只有在该子线程退出时才会回收，因此如果线程中会大量创建autoreleased对象，那么需要创建额外的NSAutoreleasePool，可以在NSRunloop每次迭代时创建和销毁一个NSAutoreleasePool。
• 如果你的子线程会抛出异常，最好在子线程中设置一个异常处理函数，因为如果子线程无法处理抛出的异常，会导致程序直接Crash关闭。
• (可选)设置Run Loop，如果子线程只是做个一次性的操作，那么无需设置Run Loop；如果子线程进入一个循环需要不断处理一些事件，那么设置一个Run Loop是最好的处理方式，如果需要Timer，那么Run Loop就是必须的。
• 如果需要在子线程运行的时候让子线程结束操作，子线程每次Run Loop迭代中检查相应的标志位来判断是否还需要继续执行，可以使用threadDictionary以及设置Input Source的方式来通知这个子线程。那么什么是Run Loop呢？这是涉及NSThread及线程相关的编程时无法回避的一个问题。

Run Loop

Run Loop本身并不具备并发执行的功能，但是和多线程开发息息相关，而且概念令人迷惑，相关的介绍资料也很少，它的主要的特性如下：

• 每个线程都有一个Run Loop，主线程的Run Loop会在App运行时自动运行，子线程中需要手动运行。
• 每个Run Loop都会以一个模式mode来运行，可以使用NSRunLoop的- (BOOL)runMode:(NSString *)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate 方法运行在某个特定模式mode。
• Run Loop的处理两大类事件源：Timer Source和Input Source(包括performSelector***方法簇、Port或者自定义Input Source)，每个事件源都会绑定在Run Loop的某个特定模式mode上，而且只有RunLoop在这个模式运行的时候才会触发该Timer和Input Source。
• 如果没有任何事件源添加到Run Loop上，Run Loop就会立刻exit。

Run Loop接口

要操作Run Loop，Foundation层和Core Foundation层都有对应的接口可以操作Run Loop。

Foundation层对应的是NSRunLoop:

Core Foundation层对应的是CFRunLoopRef：

两组接口差不多，不过功能上还是有许多区别的，例如CF层可以添加自定义Input Source事件源(CFRunLoopSourceRef)和Run Loop观察者Observer(CFRunLoopObserverRef)，很多类似功能的接口特性也是不一样的。

Run Loop运行

Run Loop如何运行呢？在上一节NSThread的入口函数中使用了一种NSRunLoop的使用场景，再看一例：

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- (void)main
{
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"starting thread.......");
        NSTimer *timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2 target:self selector:@selector(doTimerTask) userInfo:nil repeats:YES];
        [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:timer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [timer release];
        while (! self.isCancelled) {
            [self doOtherTask];
            BOOL ret = [[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]];
            NSLog(@"after runloop counting.........: %d", ret);
        }
        NSLog(@"finishing thread.........");
    }
}
- (void)doTimerTask
{
    NSLog(@"do timer task");
}
- (void)doOtherTask
{
    NSLog(@"do other task");
}

我们看到入口方法里创建了一个NSTimer，并且以NSDefaultRunLoopMode模式加入到当前子线程的NSRunLoop中。进入循环后肯定会执行-doOtherTask方式法一次，然后再以NSDefaultRunLoopMode模式运行NSRunLoop，如果一次Timer事件触发处理后，这个Run Loop会返回吗？答案是不会，Why？

NSRunLoop的底层是由CFRunLoopRef实现的，你可以想象成一个循环或者类似Linux下select或者epoll，当没有事件触发时，你调用的Run Loop运行方法不会立刻返回，它会持续监听其他事件源，如果需要Run Loop会让子线程进入sleep等待状态而不是空转，只有当Timer Source或者Input Source事件发生时，子线程才会被唤醒，然后处理触发的事件，然而由于Timer source比较特殊，Timer Source事件发生处理后，Run Loop运行方法- (BOOL)runMode:(NSString *)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate;也不会返回；而其他非Timer事件的触发处理会让这个Run Loop退出并返回YES。当Run Loop运行在一个特定模式时，如果该模式下没有事件源，运行Run Loop会立刻返回NO。

NSRunLoop的运行接口：

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//运行 NSRunLoop，运行模式为默认的NSDefaultRunLoopMode模式，没有超时限制
- (void)run;
//运行 NSRunLoop: 参数为运行模式、时间期限，返回值为YES表示是处理事件后返回的，NO表示是超时或者停止运行导致返回的
- (BOOL)runMode:(NSString *)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate;
//运行 NSRunLoop: 参数为运时间期限，运行模式为默认的NSDefaultRunLoopMode模式 
-(void)runUntilDate:(NSDate *)limitDate;

CFRunLoopRef的运行接口：

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//运行 CFRunLoopRef
void CFRunLoopRun();
//运行 CFRunLoopRef: 参数为运行模式、时间和是否在处理Input Source后退出标志，返回值是exit原因
SInt32 CFRunLoopRunInMode (mode, seconds, returnAfterSourceHandled);
//停止运行 CFRunLoopRef
void CFRunLoopStop( CFRunLoopRef rl );
//唤醒 CFRunLoopRef
void CFRunLoopWakeUp ( CFRunLoopRef rl );

详细讲解下NSRunLoop的三个运行接口：

• - (void)run; 无条件运行

不建议使用，因为这个接口会导致Run Loop永久性的运行在NSDefaultRunLoopMode模式，即使使用CFRunLoopStop(runloopRef);也无法停止Run Loop的运行，那么这个子线程就无法停止，只能永久运行下去。

• - (void)runUntilDate:(NSDate *)limitDate; 有一个超时时间限制

比上面的接口好点，有个超时时间，可以控制每次Run Loop的运行时间，也是运行在NSDefaultRunLoopMode模式。这个方法运行Run Loop一段时间会退出给你检查运行条件的机会，如果需要可以再次运行Run Loop。注意CFRunLoopStop(runloopRef);也无法停止Run Loop的运行，因此最好自己设置一个合理的Run Loop运行时间。示例：

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while (!Done)
{
    [[NSRunLoop currentRunLoop] runUntilDate:[NSDate
                dateWithTimeIntervalSinceNow:10]];
    NSLog(@"exiting runloop.........:");
}

• - (BOOL)runMode:(NSString *)mode beforeDate:(NSDate *)limitDate; 有一个超时时间限制，而且设置运行模式

这个接口在非Timer事件触发、显式的用CFRunLoopStop停止Run Loop、到达limitDate后会退出返回。如果仅是Timer事件触发并不会让Run Loop退出返回；如果是PerfromSelector***事件或者其他Input Source事件触发处理后，Run Loop会退出返回YES。示例：

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while (!Done)
{
    BOOL ret = [[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode
                                        beforeDate:[NSDate distantFuture]];
    NSLog(@"exiting runloop.........: %d", ret);
}

那么如何知道一个Run Loop是因为什么原因exit退出的呢？NSRunLoop中没有接口可以知道，而需要通过Core Foundation的接口来运行CFRunLoopRef，NSRunLoop其实就是CFRunLoopRef的二次封装。使用CFRunLoop的接口(C的接口)来运行Run Loop，有两个接口：

• void CFRunLoopRun(void);

运行在默认的kCFRunLoopDefaultMode模式下，直到使用CFRunLoopStop接口停止这个Run Loop，或者Run Loop的所有事件源都被删除。

• SInt32 CFRunLoopRunInMode(CFStringRef mode, CFTimeInterval seconds, Boolean returnAfterSourceHandled);

第一个参数是指RunLoop运行的模式（例如kCFRunLoopDefaultMode或者kCFRunLoopCommonModes），第二个参数是运行时间，第三个参数是是否在处理事件后让Run Loop退出返回。 示例：

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while (!self.isCancelled)
{
    [self doOtherTask];
    SInt32 result = CFRunLoopRunInMode(kCFRunLoopDefaultMode, 2, YES);
    if (result == kCFRunLoopRunStopped)
    {
        [self cancel];
    }
    NSLog(@"exit run loop.........: %ld", result);
}

如果Run Loop退出返回后，返回值是SInt32类型(signed long)，表明Run Loop返回的原因，目前有四种：

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enum {
    kCFRunLoopRunFinished = 1, //Run Loop结束，没有Timer或者其他Input Source
    kCFRunLoopRunStopped = 2, //Run Loop被停止，使用CFRunLoopStop停止Run Loop
    kCFRunLoopRunTimedOut = 3, //Run Loop超时
    kCFRunLoopRunHandledSource = 4 ////Run Loop处理完事件，注意Timer事件的触发是不会让Run Loop退出返回的，即使CFRunLoopRunInMode的第三个参数是YES也不行
};

注意：Run Loop是可以嵌套调用的(就像NSAutoreleasePool)，例如一个Run Loop运行过程中一个事件触发后，那么在触发方法里可以再运行当前子线程的Run Loop，然后由这个Run Loop等待其他事件触发。不过这种嵌套Run Loop调用方式我用的比较少。

以上Run Loop运行方法参考本文最后的Sample Code自行尝试。

Run Loop的运行模式Mode

iOS下Run Loop的主要运行模式mode有：

1) NSDefaultRunLoopMode: 默认的运行模式，除了NSConnection对象的事件。

2) NSRunLoopCommonModes: 是一组常用的模式集合，将一个input source关联到这个模式集合上，等于将input source关联到这个模式集合中的所有模式上。在iOS系统中NSRunLoopCommonMode包含NSDefaultRunLoopMode、NSTaskDeathCheckMode、UITrackingRunLoopMode，我有个timer要关联到这些模式上，一个个注册很麻烦，我可以用CFRunLoopAddCommonMode([[NSRunLoop currentRunLoop] getCFRunLoop],(__bridge CFStringRef) NSEventTrackingRunLoopMode)将NSEventTrackingRunLoopMode或者其他模式添加到这个NSRunLoopCommonModes模式中，然后只需要将Timer关联到NSRunLoopCommonModes，即可以实现Run Loop运行在这个模式集合中任何一个模式时，这个Timer都可以被触发。默认情况下NSRunLoopCommonModes包含了NSDefaultRunLoopMode和UITrackingRunLoopMode。注意：让Run Loop运行在NSRunLoopCommonModes下是没有意义的，因为一个时刻Run Loop只能运行在一个特定模式下，而不可能是个模式集合。

3) UITrackingRunLoopMode: 用于跟踪触摸事件触发的模式（例如UIScrollView上下滚动），主线程当触摸事件触发时会设置为这个模式，可以用来在控件事件触发过程中设置Timer。

4) GSEventReceiveRunLoopMode: 用于接受系统事件，属于内部的Run Loop模式。

5) 自定义Mode：可以设置自定义的运行模式Mode，你也可以用CFRunLoopAddCommonMode添加到NSRunLoopCommonModes中。

Run Loop运行时只能以一种固定的模式运行，只会监控这个模式下添加的Timer Source和Input Source，如果这个模式下没有相应的事件源，Run Loop的运行也会立刻返回的。注意Run Loop不能在运行在NSRunLoopCommonModes模式，因为NSRunLoopCommonModes其实是个模式集合，而不是一个具体的模式，我可以在添加事件源的时候使用NSRunLoopCommonModes，只要Run Loop运行在NSRunLoopCommonModes中任何一个模式，这个事件源都可以被触发。

Run Loop的事件源

归根结底，Run Loop就是个处理事件的Loop，可以添加Timer和其他Input Source等各种事件源，如果事件源没有发生时，Run Loop就可能让线程进入asleep状态，而事件源发生时就会唤醒休眠的(asleep)的子线程来处理事件。Run Loop的事件源事件源分两类：Timer Source和Input Source(包括-performSelector:***API调用簇，Port Input Source、自定义Input Source)。

从上图可以看出Run Loop就是处理事件的一个循环，不同的是Timer Source事件处理后不会使Run Loop结束，而Input Source事件处理后会让Run Loop退出。因此你需要自己的一个Loop去不断运行Run Loop来处理事件，就像本文开头的示例那样。

细分下Run Loop的事件源：

1) Timer Souce就是创建Timer添加到Run Loop中，没啥好说的，Cocoa或者Core Foundation都有相应接口实现。需要注意的是scheduledTimerWith****开头生成的Timer会自动帮你以默认NSDefaultRunLoopMode模式加载到当前的Run Loop中，而其他接口生成的Timer则需要你手动使用-addTimer:forMode添加到Run Loop中。需要额外注意的是Timer的触发不会让Run Loop返回。(Timer sources deliver events to their handler routines but do not cause the run loop to exit.) 具体实验可以看下面的Sample Code。

2) Input Source中的-performSelector:***API调用簇方法，有以下这些接口：

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performSelectorOnMainThread:withObject:waitUntilDone:
performSelectorOnMainThread:withObject:waitUntilDone:modes:
performSelector:onThread:withObject:waitUntilDone:
performSelector:onThread:withObject:waitUntilDone:modes:
performSelector:withObject:afterDelay:
performSelector:withObject:afterDelay:inModes:
cancelPreviousPerformRequestsWithTarget:
cancelPreviousPerformRequestsWithTarget:selector:object:

这些API最后两个是取消当前线程中调用，其他API是在主线程或者当前线程下的Run Loop中执行指定的@selector。

3) Port Input Source：概念上也比较简单，可以用NSMachPort作为线程之间的通讯通道。例如在主线程创建子线程时传入一个NSPort对象，这样主线程就可以和这个子线程通讯啦，如果要实现双向通讯，那么子线程也需要回传给主线程一个NSPort。

NSPort的子类除了NSMachPort，还可以使用NSMessagePort或者Core Foundation中的CFMessagePortRef。

注意：虽然有这么棒的方式实现线程间通讯方式，但是估计是由于危及iOS的Sandbox沙盒环境，所以这些API都是私有接口，如果你用到NSPortMessage，XCode会提示'NSPortMessage' for instance message is a forward declaration。

4) 自定义Input Source：

向Run Loop添加自定义Input Source只能使用Core Foundation的接口：CFRunLoopSourceCreate创建一个source，CFRunLoopAddSource向Run Loop中添加source，CFRunLoopRemoveSource从Run Loop中删除source，CFRunLoopSourceSignal通知source，CFRunLoopWakeUp唤醒Run Loop。

Apple官方文档提供了一个自定义Input Source使用模式。

主线程持有包含子线程的Run Loop和Source的context对象，还有一个用于保存需要运行操作的数据buffer。主线程需要子线程干活时，首先将需要的操作数据添加到数据buffer，然后通知source，唤醒子线程Run Loop（因为子线程可能正在sleep状态，CFRunLoopWakeUp唤醒Run Loop可以通知线程醒来干活），由于子线程也持有这个source和数据buffer，因此在触发唤醒时可以使用这个数据buffer的数据来执行相关操作（需要注意数据buffer访问时的同步）。

具体实现参见本文最后的Sample Code。

Run Loop的Observer

Core Foundation层的接口可以定义一个Run Loop的观察者在Run Loop进入以下某个状态时得到通知：

• Run loop的进入
• Run loop处理一个Timer的时刻
• Run loop处理一个Input Source的时刻
• Run loop进入睡眠的时刻
• Run loop被唤醒的时刻，但在唤醒它的事件被处理之前
• Run loop的终止

Observer的创建以及添加到Run Loop中需要使用Core Foundation的接口：

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CFRunLoopObserverContext  context = {0, (__bridge void *)(self), NULL, NULL, NULL};
CFRunLoopObserverRef observer = CFRunLoopObserverCreate(kCFAllocatorDefault, kCFRunLoopBeforeTimers, YES, 0, &myRunLoopObserver, &context);
if (observer)
{
  CFRunLoopAddObserver(CFRunLoopGetCurrent(), observer,
                                 kCFRunLoopCommonModes);
}

首先创建Observer的context，然后调用Core Foundation方法CFRunLoopObserverCreate创建Observer，再加入到当前线程的Run Loop中，注意CFRunLoopObserverCreate方法的第二个参数是Observer观察类型，有如下几种：

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/* Run Loop Observer Activities */
typedef CF_OPTIONS(CFOptionFlags, CFRunLoopActivity) {
    kCFRunLoopEntry = (1UL << 0),
    kCFRunLoopBeforeTimers = (1UL << 1),
    kCFRunLoopBeforeSources = (1UL << 2),
    kCFRunLoopBeforeWaiting = (1UL << 5),
    kCFRunLoopAfterWaiting = (1UL << 6),
    kCFRunLoopExit = (1UL << 7),
    kCFRunLoopAllActivities = 0x0FFFFFFFU
};

对应Run Loop的各种事件，kCFRunLoopAllActivities比较特殊，可以观察所有事件。具体样例代码请参考Sample Code。

总结

Run Loop就是一个处理事件源的循环，你可以控制这个Run Loop运行多久，如果当前没有事件发生，Run Loop会让这个线程进入睡眠状态(避免再浪费CPU时间)，如果有事件发生，Run Loop就处理这个事件。Run Loop处理事件和发送给Observer通知的流程如下：

• 1) 进入Run Loop运行，此时会通知观察者进入Run Loop；
• 2) 如果有Timer即将触发时，通知观察者；
• 3) 如果有非Port的Input Sourc即将e触发时，通知观察者；
• 4）触发非Port的Input Source事件源；
• 5）如果基于Port的Input Source事件源即将触发时，立即处理该事件，跳转到步骤9；
• 6）通知观察者当前线程将进入休眠状态；
• 7）将线程进入休眠状态直到有以下事件发生：基于Port的Input Source被触发、Timer被触发、Run Loop运行时间到了过期时间、Run Loop被唤醒。
• 8) 通知观察者线程将要被唤醒。
• 9) 处理被触发的事件：
  • 如果是用户自定义的Timer，处理Timer事件后重新启动Run Loop进入步骤2；
  • 如果线程被唤醒又没有到过期时间，则进入步骤2；
  • 如果是其他Input Source事件源有事件发生，直接处理这个事件；
• 10)到达此步骤说明Run Loop运行时间到期，或者是非Timer的Input Source事件被处理后，Run Loop将要退出，退出前通知观察者线程已退出。

什么时候需要用到Run Loop？官方文档的建议是：

• 需要使用Port或者自定义Input Source与其他线程进行通讯。
• 需要在线程中使用Timer。
• 需要在线程上使用performSelector*****方法。
• 需要让线程执行周期性的工作。

我个人在开发中遇到的需要使用Run Loop的情况有：

• 使用自定义Input Source和其他线程通信
• 子线程中使用了定时器
• 使用任何performSelector*****到子线程中运行方法
• 使用子线程去执行周期性任务
• NSURLConnection在子线程中发起异步请求

Sample Code

RunLoop刚开始用确实坑很多，理解概念最好的方式还是动手写代码，写了个例子放在GitHub上（工程NSThreadExample），欢迎大家讨论。

Apple官方也有一个基于Run Loop的异步网络请求示例程序SimpleURLConnections。

参考资料

Threading Programming Guide

NSRunLoop Class Reference

CFRunLoop Reference

CFRunLoopObserver Reference