iOS 中的定时器

2022-09-23 08:48:00 浏览数 (3)

前言

Hi Coder，我是 CoderStar！

我们平时开发时，或多或少都会使用到定时器，今天我们来聊聊 iOS 中的定时器。

iOS 中的定时器常用的包含三种：

  • Timer
  • CADisplayLink
  • DispatchSourceTimer

Timer

老规矩，我们先罗列一下 Timer 常用的方法及属性。

代码语言：javascript复制
// MARK: - 构造函数
// MARK: - 静态方法
open class func scheduledTimer(timeInterval ti: TimeInterval, target aTarget: Any, selector aSelector: Selector, userInfo: Any?, repeats yesOrNo: Bool) -> Timer

@available(iOS 10.0, *)
open class func scheduledTimer(withTimeInterval interval: TimeInterval, repeats: Bool, block: @escaping (Timer) -> Void) -> Timer

// MARK: - 实例构造方法
public init(timeInterval ti: TimeInterval, target aTarget: Any, selector aSelector: Selector, userInfo: Any?, repeats yesOrNo: Bool)

@available(iOS 10.0, *)
public init(timeInterval interval: TimeInterval, repeats: Bool, block: @escaping (Timer) -> Void)

// MARK: - 设置起始触发时间
@available(iOS 10.0, *)
public convenience init(fire date: Date, interval: TimeInterval, repeats: Bool, block: @escaping (Timer) -> Void)

public init(fireAt date: Date, interval ti: TimeInterval, target t: Any, selector s: Selector, userInfo ui: Any?, repeats rep: Bool)

// MARK: - invocation方式
/// 因Swift中没有 NSInvocation，所以没法直接使用，如果非要使用可以借助OC进行中转
public init(timeInterval ti: TimeInterval, invocation: NSInvocation, repeats yesOrNo: Bool)

open class func scheduledTimer(timeInterval ti: TimeInterval, invocation: NSInvocation, repeats yesOrNo: Bool) -> Timer

// MARK: - 常用方法
/// 宽容度
@available(iOS 7.0, *)
open var tolerance: TimeInterval

/// 是否可用
open var isValid: Bool { get }

/// 触发，启动
open func fire()

/// 从当前Runloop移除timer
open func invalidate()

上述 interval 参数如果小于 0，则会使用 0.1 毫秒来代替，其中这个也侧面反映出 Timer的精度。

从上述代码我们可以发现 Timer 生成实例的方式有八种，除了可以设置触发起止时间的两个之外，剩余六个为Block、Target-Action以及NSInvocation三种形式并且都提供类方法以及构造函数两种形式。我们可以根据自己的需求选择合适的构造函数。

1、NSInvocation在 Swift 中已经被禁止使用了，所以一般很少使用，如果非得使用需要借助 OC 进行中转；2、Block方式是在 iOS 10 之后的，目的就是方便使用，并且避免了Target-Action这种方式惯有的循环引用问题，建议大家优先使用这种形式；3、Target-Action方式最开始就存在，所以项目中使用也比较多。

NSInvocation的禁止其实也会影响到 NSProxy 在 Swift 中的使用，在 OC 中，我们一般会采用继承 NSProxy中的方式实现一个弱代理来解决常见的循环引用问题，比如常用的YYKit中的 YYWeakProxy[1]，但是在 Swift 中这种方式是不行的，需要继承NSObject来进行实现，这个具体后面会有介绍。

Timer 的运行需要依赖于 Runloop，如果 Timer 所处线程没有开启 Runloop，Timer 也是无法正常启动的，普通构造函数与类方法创建的 Timer 两者在这部分会有差异，init创建的 Timer 不会自动加入到 Runloop 中，需要再手动进行添加，而scheduledTimer形式会自动加入到当前线程对应的Runloop中。

scheduledTimer形式自动加入的是Runloop的default模式，如果在滚动状态下仍然需要保持计时，则需要再手动加入到eventTracking或者common模式下，如果在子线程中，因为其 Runloop 没有默认启动，所以还是需要自己手动加入。 这样就涉及到一个比较典型的面试题：Timer 在滚动视图滚动时不进行响应。答案已经在上面了。

代码语言：javascript复制
let timer = Timer(timeInterval: 1, repeats: true) { _ in
    // TODO:
}
RunLoop.current.add(timer, forMode: .default)

let timer = Timer.scheduledTimer(withTimeInterval: 1, repeats: true) { _ in
    // TODO:
}

/// 子线程中
DispatchQueue.global().async {
    let timer = Timer.scheduledTimer(withTimeInterval: 1, repeats: true) {_ in
       // TODO:
    }
    RunLoop.current.add(timer, forMode: .default)
    RunLoop.current.run()
}

因为 Timer 依赖 Runloop 的特殊性，所以其对应的 Target 释放不了的原因会包含两方面：

Timer 与 Target 存在循环引用

对于这个问题，我们通常会使用一个 WeakProxy[2] 来 Warp 一下Target。对于这个WeakProxy，我们需要注意重写一些父类方法。本质就是切断Timer对Target的强引用。

其实平时为了避免该问题，我们还是尽量使用Block这种形式。

代码语言：javascript复制
import Foundation

/// WeakProxy 实现
final public class WeakProxy: NSObject {
    private weak var target: NSObjectProtocol?

    public init(_ target: NSObjectProtocol?) {
        self.target = target
        super.init()
    }

    public class func proxy(with target: NSObjectProtocol?) -> WeakProxy {
        return WeakProxy(target)
    }
}

extension WeakProxy {
    // 消息转发
    public override func forwardingTarget(for aSelector: Selector!) -> Any? {
        // 判断是否实现了Selector，如果实现了，就将消息转发给它
        if target?.responds(to: aSelector) == true {
            return target
        } else {
            return super.forwardingTarget(for: aSelector)
        }
    }

    public override func responds(to aSelector: Selector!) -> Bool {
        return target?.responds(to: aSelector) == true
    }

    public override func conforms(to aProtocol: Protocol) -> Bool {
        return target?.conforms(to: aProtocol) == true
    }

    public override func isEqual(_ object: Any?) -> Bool {
        return target?.isEqual(object) == true
    }

    public override var superclass: AnyClass? {
        return target?.superclass
    }

    public override func isKind(of aClass: AnyClass) -> Bool {
        return target?.isKind(of: aClass) == true
    }

    public override func isMember(of aClass: AnyClass) -> Bool {
        return target?.isMember(of: aClass) == true
    }

    public override var description: String {
        return target?.description ?? ""
    }

    public override var debugDescription: String {
        return target?.debugDescription ?? ""
    }
}

Runloop 会强引用 Timer

  • 如果是一次性调用的 Timer(即repeats参数设置为false)，会在调用完毕之后自动 invalidate 掉自身，当然一次性调用这种使用场景也是比较少见，对此场景，我们可能更多的是使用GCD的asyncAfter方法。
  • 但是如果是多次重复调用的 Timer，就需要我们就需要我们自己在某个特定的时刻来 invalidate 掉 Timer，这个时刻一般是根据我们业务的实际情况去处理，常见的便是deinit时刻。

同时需要注意一定要在触发Timer的线程去进行invalidate，否则并不会终止。

Timer 的定时并不是绝对精确，其取决于所在线程的空闲情况。当线程在进行大量计算时，这期间有可能会错过很多次 Timer 的循环周期，但是 Timer 并不会将前面错过的执行次数在后面都执行一遍，而是继续执行后面的循环，也就是在一个循环周期内只会执行一次循环。无论循环延迟的多离谱，循环间隔都不会发生变化，在进行完大数据处理之后，有可能会立即执行一次 Timer 循环，但是后面的循环间隔始终和第一次添加循环时的间隔相同。

Timer 会有一个tolerance属性 -- 时间宽容度，指定该属性时意味着系统可以在原有时间附加该宽容度内的任意时刻触发 Timer。例如，如果你要 Timer 1 秒后运行，并有 0.5 秒的时间宽容度，实际就可能是 1 秒，1.5 秒或 1.3 秒等等时刻执行。默认的时间宽容度是 0，但即使是 0，系统内部也会自动添加一个很小的宽容度。这个属性是起到什么作用呢？按照开发者文档上的说法，设置该属性可以起到省电和优化系统响应性的作用。其可以允许系统协同运行多个 Timer，把多个 Timer 事件合并到一起，节省电池寿命。

从性能方面考虑，对于实时性要求不是特别高的Timer，我们都可以设置一下tolerance属性。并且我们应在保证需求前提下尽量少的设置定时器，比如可以定义全局定时器供各业务使用。还有因为主线程需要处理 UI 相关的事情，所以我们将Timer注册到子线程对应的Runloop可从一定程度上保证其更加精确。

设置了 tolerance 的 Timer，对于 iOS 和 MacOS 系统，实质上会采用 GCD timer 的形式注册到内核中，GCD timer 触发后，再由 RunLoop 处理其回调逻辑。对于没有设置 tolerance 的 timer，则是用 mk_timer 的形式注册。

Timer理论上最小精度为 0.1 毫秒。从上述interval参数的默认值就能看出端倪，但是在实际开发中，因为线程处理以及RunLoop底层派发等方面因素，精度远远达不到理论精度，有效精度可能到0.1秒就不错了，日常开发还是尽量将Timer用在秒级单位计时场景下吧。

引申

当调用 NSObject 的 performSelecter:afterDelay: 方法，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。

在编写这篇文章时发现了一个有意思的小玩意。

代码语言：javascript复制
/// 正常
Timer.scheduledTimer(withTimeInterval: 0.000000001, repeats: true) { _ in
  // todo
}

/// 比上面高一个精度
/// 不正常，会死锁
Timer.scheduledTimer(withTimeInterval: 0.0000000001, repeats: true) { _ in
  // todo
}

如果了解该问题原因可以私我交流一下。

CADisplayLink

CADisplayLink简单来说就是一个能让我们以和屏幕刷新率相同的频率将内容画到屏幕上的定时器，不过，与其说它是一个定时器，不如说它是一个观察者，其回调由事件触发而非计时器。简单描述就是设备屏幕每刷新一次，该对象绑定的方法就会调用一次。

CADisplayLink与Timer一样都需要Runloop的支持，并且虽然其没有被定义成final类型，但是开发者文档告知我们不应该继承CADisplayLink。

我们先来看下其属性及方法，注意查看注释。

代码语言：javascript复制
open class CADisplayLink : NSObject {
  public /*not inherited*/ init(target: Any, selector sel: Selector)

  open func add(to runloop: RunLoop, forMode mode: RunLoop.Mode)

  /// 是否暂停
  /// 注意暂停不会将CADisplayLink销毁，只是不会再接收回调
  open var isPaused: Bool

  /// 只读值
  /// 当前帧时间戳
  open var timestamp: CFTimeInterval { get }

    /// 下一帧时间戳
  @available(iOS 10.0, *)
  open var targetTimestamp: CFTimeInterval { get }

  /// 以 maximumFramesPerSecond 条件下的双帧间的间隔时间
  open var duration: CFTimeInterval { get }

  /// 倾向帧刷新频率
  @available(iOS 10.0, *)
  open var preferredFramesPerSecond: Int

  /// 类似Timer，从Runloop的所有Mode中移除
  open func invalidate()
}

对其中几个属性补充一下：

  • iOS 10 之后，虽然给出了targetTimestamp属性，用来标识下一帧预计的时间戳，开发者文档也描述可以通过targetTimeStamp - timeStamp得到两帧之间的差值，继而得到FPS，但是经过实际测试，这样得到的FPS一直是60HZ，根本不会波动，所以我们还是利用 YYKit 中的 YYFPSLabel[3] 这种方式来获取真实的FPS，下方会给出Swift代码示例。
  • preferredFramesPerSecond这个属性为 首选 帧速率，表示设备每秒回调的帧数。每个设备都会有一个屏幕最大刷新频率的物理属性，大部分 iPhone 都是 60Hz，iPad pro 是 120Hz，我们可以利用UIScreen.main.maximumFramesPerSecond获取到。preferredFramesPerSecond默认值为 0，此时会按照最大刷新频率进行回调，我们也可以自定义设置的，但需要注意设置的值需要为最大刷新频率的因子，如 20、30 等（当然也不能设置的超过maximumFramesPerSecond），如果设置的值不为因子，则系统内部会将不是最大帧速率的除数的首选帧速率四舍五入到最接近的因子，比如说 60HZ 的设备上设置其为 26 或者 35，则内部会自动调整为 30，这也是命名中有preferred的原因；
  • duration表示以设备以maximumFramesPerSecond回调时两帧之间的差值，不受preferredFramesPerSecond的影响。那 duration 与 targetTimeStamp - timeStamp 之间有什么区别呢？比如 60HZ 的设备上，preferredFramesPerSecond设置为 30，那 duration 还是 1 / 60，而targetTimeStamp - timeStamp为 1 / 30。

从上面代码中我们也可以看出来，CADisplayLink属性与方法比较少，使用起来也比较简单。其相对 Timer 来说使用场合相对专一，适合做 UI 的不停重绘，比如自定义动画或者视频播放的渲染，还有我们平时最常见的就是获取FPS，下面给出示例。

代码语言：javascript复制
final class FPSUtils {
    public static let shared = FPSUtils()

    private init() {}

    private var link: CADisplayLink?

    /// 记录1s内回调次数
    private var countPerSecond: Int = 0
    /// 上传回调时间戳
    private var lastTimestamp: TimeInterval = 0

    @objc
    private func tick(_ link: CADisplayLink) {
        guard lastTimestamp != 0 else {
            lastTimestamp = link.timestamp
            return
        }
        countPerSecond  = 1

        let timePassed = link.timestamp - lastTimestamp
        guard timePassed >= 1 else {
            return
        }

        /// 获取FPS
        let fps = TimeInterval(countPerSecond) / timePassed
        Log.d(fps)

        lastTimestamp = link.timestamp
        countPerSecond = 0
    }
}

// MARK: - 公开方法

extension FPSUtils {
    public func start() {
        stop()
        link = CADisplayLink(target: self, selector: #selector(tick(_:)))
        /// Mode 为 common， 避免滚动时不计算
        link?.add(to: RunLoop.main, forMode: .common)
    }

    public func stop() {
        link?.invalidate()
        link = nil
    }
}

Timer 与 CADisplayLink 背后都跟 Runloop 息息相关，后续会对 Runloop 进行单独介绍，这里就不单独展开了，那Timer 与 CADisplayLink之间有什么区别呢？

  • 设置周期方式不同：一个通过preferredFramesPerSecond进行间接设置，一个直接通过timeInterval参数设置，后者更直接一些；
  • 灵敏度不同：CADisplayLink受限于maximumFramesPerSecond的限制，不可以超过，也就是最大为 1/60 s 或者 1/120 s，如果 UI 渲染处理时间过长，出现丢帧现象，CADisplayLink的精度也会下降；而 Timer 的受限则是Runloop的周期，其灵敏度相对CADisplayLink大的多。
  • 适用场景不同：CADisplayLink直接跟渲染挂钩，更适合用在 UI 方便，比如平滑动画或者上述提到的 FPS，而Timer使用范围则更大一些。...

DispatchSourceTimer

DispatchSourceTimer，也就是我们常说的GCD Timer，其不再依赖于 Runloop，而是依赖于 GCD，相反Runloop底层还会依赖GCD能力。

DispatchSourceTimer其实属于DispatchSource系列，DispatchSource可以帮我们监听系统底层一些对象的活动，除上述的DispatchSourceTimer之外还有DispatchSourceSignal(对应 Unix signal)、DispatchSourceFileSystemObject(对应 VFS node) 等等，并允许我们在这些活动发生时，向队列提交一个任务以进行异步处理。

我们先看一下涉及的 API，注意看注释。

1、使用 DispatchSource 创建一个 DispatchSourceTimer

代码语言：javascript复制
/// DispatchSource类

/// 创建一个 DispatchSourceTimer
/// TimerFlags类型目前已经一个为 strict，设置该flag会影响后续定时的准确性，
/// 如果设置为 strict ，则系统会尽量按照预定时间进行计时，否则系统可以推迟定时器事件的传递以提高功耗和系统性能
class func makeTimerSource(flags: DispatchSource.TimerFlags = [], queue: DispatchQueue? = nil) -> DispatchSourceTimer

2、DispatchSourceTimer协议派发方式，其继承 DispatchSourceProtocol 协议

代码语言：javascript复制
@available(swift 4)
public func schedule(deadline: DispatchTime, repeating interval: DispatchTimeInterval = .never, leeway: DispatchTimeInterval = .nanoseconds(0))

@available(swift 4)
public func schedule(deadline: DispatchTime, repeating interval: Double, leeway: DispatchTimeInterval = .nanoseconds(0))

@available(swift 4)
public func schedule(wallDeadline: DispatchWallTime, repeating interval: DispatchTimeInterval = .never, leeway: DispatchTimeInterval = .nanoseconds(0))

@available(swift 4)
public func schedule(wallDeadline: DispatchWallTime, repeating interval: Double, leeway: DispatchTimeInterval = .nanoseconds(0))

上述几个构造函数看起来很像，其实核心差别在几个参数对应结构之间的差别上：

  • DispatchTime 与 DispatchWallTime：含义为定时起止时间。DispatchTime底层使用的是mach_absolute_time()函数，DispatchWallTime底层使用的是gettimeofday()函数。上层结构的区别其实也就是下层结构的区别。主要区别其实是前者是一个相对时间会受到关机或者休眠的影响，而不受系统时间的影响，而后者则是一个绝对时间，会受到系统时间的影响。具体细节可以看下stackoverflow的回答--what-does-dispatchwalltime-do-on-ios[4]。
  • repeating参数：一个参数类型为DispatchTimeInterval，一个为Double，其中前者可以设置成 .never，表示只执行一次，并且还可以设置成其他不同层级精度的数值，后者表示的单位为秒。
  • leeway参数：表示设置的容忍误差精度。

3、DispatchSourceProtocol 协议，注册事件，并管理状态

代码语言：javascript复制
/// 给Timer设置要执行的任务，包括一次性任务和定时重复的任务。
public func setEventHandler(qos: DispatchQoS = .unspecified, flags: DispatchWorkItemFlags = [], handler: Self.DispatchSourceHandler?)

public func setCancelHandler(qos: DispatchQoS = .unspecified, flags: DispatchWorkItemFlags = [], handler: Self.DispatchSourceHandler?)

/// 这个方法设置的任务只会执行一次，也就是在Timer就绪后开始运行的时候执行，类似于Timer开始的一个通知回调。
public func setRegistrationHandler(qos: DispatchQoS = .unspecified, flags: DispatchWorkItemFlags = [], handler: Self.DispatchSourceHandler?)

/// 当创建完一个Timer之后，其处于未激活的状态，所以要执行Timer，需要调用该方法。
@available(macOS 10.12, iOS 10.0, tvOS 10.0, watchOS 3.0, *)
public func activate()

/// 调用该方法后，Timer将会被取消，被取消的Timer如果想再执行任务，则需要重新创建。
public func cancel()

/// 当Timer被挂起后，调用该方法便会将Timer继续运行。
public func resume()

/// 当Timer开始运行后，调用该方法便会将Timer挂起，即暂停。
public func suspend()

public var isCancelled: Bool { get }

补充几个注意事项：

  • 几个 Handler 回调方法执行线程取决于makeTimerSource时设置的队列类型；
  • 当 Timer 创建完后，建议调用 activate() 方法开始运行。如果直接调用 resume() 也可以开始运行；
  • suspend()的时候，并不会停止当前正在执行的 event 事件，而是会停止下一次 event 事件；
  • suspend()和resume()需要成对出现，挂起一次，恢复一次，如果 Timer 开始运行后，在没有 suspend() 的时候，直接调用resume()，会导致 APP 崩溃；
  • 当 Timer 处于 suspend 的状态时，如果销毁 Timer 或其所属的控制器，会导致 APP 崩溃。

使用示例

代码语言：javascript复制
let timer = DispatchSource.makeTimerSource(flags: [.strict])
timer.schedule(deadline: .now(), repeating: 1, leeway: .milliseconds(1))
timer.setEventHandler {
  // todo
}
timer.activate()

其实从构造时相关参数，我们可以看出 DispatchSourceTimer精度为纳秒，但是根据实际情况，可能会有些许出入，但肯定是这三种定时器精度最高的了。

最后

上述我们可以看到 GCD Timer 是精度最高的定时器，那还有更高精度的定时器吗？那自然是有的，只不过我们平时需求很少需要用到，高精度计时器相对于常规定时器，核心区别在于发出计时器请求的线程的调度类，前者调度类会得到系统更优先级的处理，详情可见参考资料中的【High Precision Timers in iOS / OS X】，还可以了解Mach相关的 API，如mach_wait_until()、mach_absolute_time()以及mach_continuous_time()等。

要更加努力呀！

Let's be CoderStar!

参考资料

  • Timer使用指南[5]
  • High Precision Timers in iOS / OS X[6]
  • Mach Absolute Time Units[7]
  • iOS开发之三大计时器（Timer、DispatchSourceTimer、CADisplayLink）[8]
  • 从 RunLoop 源码探索 NSTimer 的实现原理（iOS）[9]

参考资料

[1]YYWeakProxy: https://github.com/ibireme/YYKit/blob/master/YYKit/Utility/YYWeakProxy.h

[2]WeakProxy: https://github.com/Coder-Star/LTXiOSUtils/blob/master/LTXiOSUtils/Classes/Util/WeakProxy.swift

[3]YYFPSLabel: https://github.com/ibireme/YYKit/blob/master/Demo/YYKitDemo/YYFPSLabel.m

[4]what-does-dispatchwalltime-do-on-ios: https://stackoverflow.com/questions/51863940/what-does-dispatchwalltime-do-on-ios

[5]Timer使用指南: http://www.cocoachina.com/articles/23890

[6]High Precision Timers in iOS / OS X: https://developer.apple.com/library/archive/technotes/tn2169/_index.html

[7]Mach Absolute Time Units: https://developer.apple.com/library/archive/qa/qa1398/_index.html

[8]iOS开发之三大计时器（Timer、DispatchSourceTimer、CADisplayLink）: https://blog.csdn.net/guoyongming925/article/details/110224064

[9]从 RunLoop 源码探索 NSTimer 的实现原理（iOS）: https://toutiao.io/posts/4330zh/preview

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