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Objective-CのRunLoopの基本10選

Objective-CのRunLoopを使ったプログラミングのイメージ Objctive-C
2023.11.18
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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。

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はじめに

プログラミングの世界では、ソフトウェアが効率的に動作するための様々な仕組みが存在します。

Objective-CにおけるRunLoopは、そのような仕組みの一つで、アプリケーションのメインループとして重要な役割を果たします。

本文書では、Objective-Cを用いた開発において、RunLoopを理解し、適切に活用するための基本を10項目に分けて紹介します。

これらの知識は、初心者がObjective-Cの世界に足を踏み入れる際の確かな土台となり、経験豊かな開発者がより深くシステムを理解するのに役立ちます。

●Objective-Cとは

Objective-Cは、C言語にスモールトークスタイルのメッセージ指向オブジェクトシステムを加えたプログラミング言語です。

強力な表現力と柔軟性を持ち、特にAppleのiOSおよびmacOSのアプリケーション開発で広く使用されてきました。

その動作は、オブジェクト間のメッセージのやり取りによって行われ、動的なランタイムがこれを可能にします。

Objective-Cのコードは、継承、ポリモーフィズム、カプセル化などのオブジェクト指向の原則に従って記述されることが多いです。

○Objective-Cの歴史と特徴

Objective-Cは、1980年代にBrad CoxとTom Loveによって開発されました。

彼らは、C言語の効率性とスモールトークのオブジェクト指向の特徴を組み合わせることで、使いやすく強力なプログラミング言語を目指しました。

Objective-CはNeXTコンピュータで採用された後、AppleによるNeXTの買収と共にiOSおよびmacOSの主要言語となりました。

この言語の最も特筆すべき特徴は、Runtimeによるダイナミックなメソッドの解決機能です。

この機能により、開発者はプログラム実行時に多くの決定をする柔軟性を持たせることができます。

○Objective-Cの基本的な文法

Objective-Cの文法はC言語の文法をベースにしているため、C言語の知識がある開発者には馴染みやすい面があります。

しかし、オブジェクト指向機能やメッセージパッシングなどの概念は、C言語とは異なる学習が必要です。

たとえば、メソッドの呼び出しはブラケットを使用して行われ、以下のように記述されます。

[object methodWithArg1:arg1 arg2:arg2];

このコードでは、objectに対してmethodWithArg1:arg2:というメソッドを引数arg1とarg2を持って呼び出しています。

また、Objective-Cではヘッダーファイル(.h)でクラスのインターフェースを定義し、実装ファイル(.m)で具体的な実装を行います。

●RunLoopとは

Objective-Cで開発を行う上で、RunLoopは中心的な概念の一つです。

RunLoopとは、アプリケーションがイベントを受け取り処理するためのループのことで、アプリケーションが起動してから終了するまでの間、常にバックグラウンドで動作しています。

ユーザからのタッチイベントや、タイマーからの時間経過イベントなど、さまざまな種類のイベントを扱うための仕組みと言えます。

RunLoopはシステムとアプリケーションの橋渡し役をしており、イベント駆動型のプログラミングを可能にする重要な要素です。

○RunLoopの概念理解

RunLoopの動作原理を簡潔に説明すると、特定のスレッド上でイベントが発生するのを待ち、発生したイベントに応じた処理を行う仕組みです。

Objective-Cのアプリケーションにおいて、主要なスレッドはこのRunLoopを使用してUIイベントを処理し、バックグラウンドのスレッドも必要に応じて自身のRunLoopを持つことができます。

RunLoopはそのスレッドが実行を続けるために不可欠であり、イベントがない時はスレッドを休ませることで効率的な処理を実現します。

○RunLoopの役割と重要性

RunLoopの役割は多岐に渡りますが、主にアプリケーションがユーザインタフェースのイベントを効率良く処理できるようにすることが目的です。

例えば、ユーザが画面をタップした時、その情報をアプリケーションが受け取り、適切なレスポンスを返すまでの一連の流れを管理しています。

また、ネットワークからの応答待ちや、時間のかかる計算処理の間に他のイベントを処理するなど、アプリケーションのレスポンスを向上させるためにも重要な役割を担っています。

RunLoopを理解し適切に使用することで、より応答性の高いアプリケーションを開発することが可能になります。

●RunLoopの基本的な使い方

RunLoopはObjective-Cにおける中核的な概念で、プログラムがイベントを受け取るために待機するループのことを指します。

RunLoopを適切に使用することで、アプリケーションがユーザーのインタラクション、タイマーイベント、または他の入力ソースに基づいてレスポンスを提供できるようになります。

○サンプルコード1：RunLoopの基本セットアップ

このコードではNSRunLoopクラスを使って、カスタムのRunLoopをセットアップする方法を表しています。

この例では新しいタイマーを作成し、それを現在のRunLoopに加えて、指定された間隔でメッセージを表示しています。

// Objective-C RunLoopの基本的なセットアップ
// メインRunLoopを取得
NSRunLoop *mainLoop = [NSRunLoop mainRunLoop];

// タイマーを作成し、RunLoopに追加
NSTimer *myTimer = [NSTimer timerWithTimeInterval:2.0
                                         target:self
                                       selector:@selector(timerFired:)
                                       userInfo:nil
                                        repeats:YES];

// タイマーをメインRunLoopに追加
[mainLoop addTimer:myTimer forMode:NSDefaultRunLoopMode];

// タイマーイベントを処理するメソッド
- (void)timerFired:(NSTimer *)timer {
    NSLog(@"Timer fired!");
}

このコードを実行すると、2秒間隔でコンソールに”Timer fired!”というメッセージが表示されます。

ここでのポイントはNSTimerのインスタンスを作成し、addTimer:forMode:メソッドを用いてメインRunLoopにこのタイマーを追加していることです。

これにより、timerFired:メソッドがタイマーからトリガーされたイベントを受け取ることができます。

○サンプルコード2：タイマーをRunLoopに組み込む

次のコードスニペットでは、タイマーをRunLoopに組み込み、その挙動を確認する方法を表しています。

ここでは、カスタムのタイマーがRunLoopでどのように動作するかを実際に見ることができます。

// Objective-C タイマーをRunLoopに組み込むサンプルコード
// タイマーの初期化と設定
NSTimer *myTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0
                                                     target:self
                                                   selector:@selector(timerAction:)
                                                   userInfo:nil
                                                    repeats:YES];

// タイマーアクションの実装
- (void)timerAction:(NSTimer *)timer {
    NSLog(@"Timer action called");
}

// メインスレッドでのRunLoopの開始
[[NSRunLoop mainRunLoop] run];

実行すると、1秒ごとに”Timer action called”とコンソールに出力されます。

ここでNSTimerのscheduledTimerWithTimeIntervalメソッドを使用することで、タイマーは自動的に現在のRunLoopにスケジュールされます。

またrunメソッドにより、メインスレッドのRunLoopが起動し、イベントを処理する準備が整います。

これによって、タイマーが発火する度にtimerAction:メソッドが呼び出され、処理が行われることになります。

○サンプルコード3：カスタムイベントの処理

Objective-Cでのカスタムイベントの処理には、特定のイベントに対応するためにRunLoopをカスタマイズすることが含まれます。

RunLoopはアプリケーションがイベントを受け取り、それに対応するための仕組みを提供しており、カスタムイベントの処理ではこの仕組みを自分のニーズに合わせて変更します。

// CustomEventProcessor.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface CustomEventProcessor : NSObject

- (void)processCustomEvents;

@end

// CustomEventProcessor.m
#import "CustomEventProcessor.h"

@implementation CustomEventProcessor

- (void)processCustomEvents {
    // カスタムイベント処理を疑似コードで示す
    NSLog(@"カスタムイベントを処理します");

    // 通常、イベントソースをRunLoopに追加する処理が必要です。
    // 簡略化したコード
    while (/* イベントがあるかどうかを確認 */) {
        // イベントを処理する
        NSLog(@"イベントを処理");
        // 必要に応じて、次のイベントがあるかを確認するために休止
    }
}

@end

このコードでは、CustomEventProcessorクラスがカスタムイベントを処理する機能を持っていることを表しています。

processCustomEventsメソッド内では、イベント処理ループを模擬しています。

実際には、イベントの有無を確認し、存在する場合にログにイベントを処理したことを出力します。

実行結果として、カスタムイベントが処理されたときには、その旨がコンソールに表示されます。

このシンプルなデモは、実際のアプリケーションにおいてはより複雑なイベント処理やエラーハンドリングを必要とすることを理解するための出発点となります。

○サンプルコード4：パフォーマンスの最適化

パフォーマンスを最適化するためには、RunLoopを効率的に使用することが重要です。

例えば、不要なタイマーや他のイベントソースがRunLoopを過度に占有しないようにすることや、適切なタイミングでイベントソースをRunLoopから削除することが考えられます。

下記のサンプルコードは、パフォーマンスを最適化するための一般的なテクニックを表しています。

// PerformanceOptimizer.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface PerformanceOptimizer : NSObject

- (void)optimizeRunLoop;

@end

// PerformanceOptimizer.m
#import "PerformanceOptimizer.h"

@implementation PerformanceOptimizer

- (void)optimizeRunLoop {
    // パフォーマンス最適化に関する疑似コード
    NSLog(@"RunLoopのパフォーマンスを最適化します");

    // RunLoopに登録されているタイマーの数を制御
    // タイマーが発火する回数を減らすことでCPUの使用率を下げる
    // 例: 不要なタイマーを無効にする
}

@end

このコードは、PerformanceOptimizerクラスにoptimizeRunLoopメソッドを定義し、RunLoopのパフォーマンス最適化に関する一般的なアプローチを説明するためのものです。

ログ出力は、このメソッドが実際に呼ばれたことを確認するためのもので、実際のパフォーマンス最適化手法には、タイマーの適切な管理や、必要のない時はイベントソースを解除するといった操作が含まれます。

●Objective-CのRunLoopの応用例

Objective-Cで開発を行う際にRunLoopを上手く活用することは、アプリケーションのパフォーマンス向上やユーザー体験の改善に直結します。

RunLoopは、システムとアプリケーション間のやり取りを管理するための重要なメカニズムです。

ここではObjective-CにおけるRunLoopの応用例を、具体的なコード例と共に紹介します。

○サンプルコード5：ネットワークリクエストとRunLoop

ネットワークリクエストを処理する際にRunLoopを利用することで、非同期通信を効率的に管理することができます。

下記のコードスニペットは、NSURLConnectionを使った非同期リクエストの例を表しています。

// ネットワークリクエストを開始するメソッド
- (void)startNetworkRequest {
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"https://example.com/data"];
    NSURLRequest *request = [NSURLRequest requestWithURL:url];
    // 非同期リクエストを開始します。delegateを自分自身に設定しています。
    [NSURLConnection connectionWithRequest:request delegate:self];
}

// NSURLConnectionDelegateメソッド。データが受信されるたびに呼ばれます。
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didReceiveData:(NSData *)data {
    // 受け取ったデータを処理します。
    // この例では単純にデータの長さをログ出力しています。
    NSLog(@"Received %lu bytes of data", (unsigned long)[data length]);
}

// NSURLConnectionDelegateメソッド。リクエストが完了したら呼ばれます。
- (void)connectionDidFinishLoading:(NSURLConnection *)connection {
    NSLog(@"Request finished loading");
}

// NSURLConnectionDelegateメソッド。エラーが発生したら呼ばれます。
- (void)connection:(NSURLConnection *)connection didFailWithError:(NSError *)error {
    NSLog(@"Request failed with error: %@", error);
}

このコードではNSURLConnectionを使用していますが、最新のAPIではNSURLSessionを使用することが一般的です。

NSURLConnectionは過去のバージョンのiOSで使用されていたクラスであり、この例は古いクラスを使っていることを表すためのものです。

上記のメソッドを呼び出すと、指定したURLに対するネットワークリクエストが開始されます。

その後、リクエストに応じて受信データを処理するデリゲートメソッドが呼び出され、リクエストの完了や失敗時にも対応するデリゲートメソッドがトリガーされます。

○サンプルコード6：マルチスレッドとRunLoop

マルチスレッド環境でのRunLoopの使用例を紹介します。

// 新しいスレッドで実行されるメソッド
- (void)performWorkOnNewThread {
    @autoreleasepool {
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        // タイマーを追加してRunLoopを起動します。
        [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0
                                         target:self
                                       selector:@selector(doWork)
                                       userInfo:nil
                                        repeats:YES];
        // RunLoopを開始します。
        [runLoop run];
    }
}

// タイマーから呼ばれるメソッド
- (void)doWork {
    // 実際の処理をここに書きます。
    NSLog(@"Doing work on the new thread");
}

この例ではperformWorkOnNewThreadメソッド内で新しいスレッドのRunLoopを開始し、定期的にdoWorkメソッドを実行するためのタイマーを設定しています。

[runLoop run]によってRunLoopが起動し、NSTimerのイベントに応じてdoWorkが呼び出されます。

これにより、バックグラウンドスレッドで定期的な作業を行うことができます。

○サンプルコード7：UIのアップデートとRunLoop

UIのアップデートをMainThreadのRunLoopと連動させることで、スムーズなユーザーインターフェイスの更新が可能になります。

ここではメインスレッドのRunLoopでUIを更新する例を紹介します。

// UIをアップデートするメソッド
- (void)updateUI {
    // UIのアップデートはメインスレッドで行う必要があります。
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        // UIコンポーネントのアップデートをここで実行します。
        self.label.text = @"Updated";
    });
}

このコードスニペットでは、dispatch_async関数を使用して、UIアップデートのコードブロックをメインキューに送信しています。

これにより、UIの変更がメインスレッドで実行され、UIがフリーズすることなくスムーズに更新されます。

RunLoopはメインスレッドでのUI操作を可能にする重要な役割を果たしているのです。

●RunLoopのカスタマイズ方法

Objective-CのRunLoopはアプリケーションのメインループを管理し、イベント駆動型のプログラミングを可能にします。

RunLoopのカスタマイズは、アプリケーションの応答性と効率を高めるための重要な技術です。

RunLoopをカスタマイズすることで、特定のタイプのイベントを処理する際に、アプリケーションがどのように動作するかを細かく制御することができます。

○カスタマイズ例1：RunLoopモードの追加と使用

RunLoopは複数の「モード」を持っており、これらのモードは特定の種類のイベントソースやタイマーがアクティブになるタイミングを制御します。

デフォルトモードの他に、カスタムモードを設定して特定の条件下でのイベント処理を行うことができます。

下記のサンプルコードは、新しいRunLoopモードを作成し、それを使用する方法を表しています。

// 新しいRunLoopモードを定義する
NSString *const CustomRunLoopMode = @"CustomRunLoopMode";

// モードを使用してRunLoopを実行する
void runLoopInCustomMode() {
    // RunLoopの取得
    NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];

    // カスタムモードでRunLoopを実行
    while ([runLoop runMode:CustomRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]]);
}

// 上記の関数を実行すると、CustomRunLoopModeでRunLoopが起動し、
// そのモードに関連づけられたイベントのみが処理されるようになります。

このコードではCustomRunLoopModeという新しいモードを定義し、runLoopInCustomMode関数を使用してこのモードでRunLoopを実行しています。

これにより、他のモードで実行しているタイマーやイベントソースとは独立して、カスタムモードに関連付けられたイベントだけを処理することが可能になります。

○カスタマイズ例2：イベントソースのカスタマイズ

イベントソースはアプリケーションが外部からの情報を受け取るための重要なメカニズムです。

RunLoopにカスタムイベントソースを追加することで、独自のイベント処理ロジックを組み込むことが可能になります。

下記のコードスニペットはカスタムイベントソースをRunLoopに追加し、それを管理する方法を表しています。

// カスタムイベントソースを作成し、RunLoopに追加する
void addCustomEventSourceToRunLoop() {
    // カスタムイベントソースの作成
    CFRunLoopSourceContext context = {0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL};
    CFRunLoopSourceRef source = CFRunLoopSourceCreate(kCFAllocatorDefault, 0, &context);

    // 現在のRunLoopにイベントソースを追加する
    CFRunLoopAddSource(CFRunLoopGetCurrent(), source, kCFRunLoopDefaultMode);
    // イベントソースの解放
    CFRelease(source);
}

// この関数を呼び出すと、作成したイベントソースが現在のRunLoopに追加され、
// イベントソースに関連付けられた処理が可能になります。

この例では空のコンテキストを持つイベントソースを作成し、現在のRunLoopに追加しています。

カスタムイベントソースはアプリケーションによって独自の処理を行いたい場合に役立ちます。

○カスタマイズ例3：効率的なリソース管理

効率的なリソース管理は、アプリケーションのパフォーマンスを維持するために不可欠です。

RunLoopの効率的な使用は、アプリケーションのレスポンスタイムを短縮し、CPU使用率を最適化するのに役立ちます。

下記のコードは、リソースを効率的に管理するためにRunLoopをカスタマイズする方法を表しています。

// RunLoopを効率的に使うための関数
void efficientResourceManagementInRunLoop() {
    // タイマーをRunLoopに追加するが、特定の条件下でのみ
    NSTimer *efficiencyTimer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1.0
                                                        target:self
                                                      selector:@selector(timerDidFire:)
                                                      userInfo:nil
                                                       repeats:YES];
    // 'NSDefaultRunLoopMode'を指定して、ユーザーがスクロール中などのイベント処理時にはタイマーが動作しないようにする
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:efficiencyTimer forMode:NSDefaultRunLoopMode];
}

// timerDidFire: メソッドはタイマーイベントを処理します
- (void)timerDidFire:(NSTimer *)timer {
    // タイマーが発火した時に実行する処理をここに書く
}

この関数はNSTimerインスタンスを作成し、それをNSDefaultRunLoopModeモードでRunLoopに追加しています。

このモードを使用すると、例えばユーザーがUIScrollViewをスクロールしている時など、イベントの追跡が優先され、タイマーが動作しないためリソースの使用を最適化することができます。

●RunLoopに関連する注意点と対処法

iOS開発において、RunLoopはアプリケーションの主要なイベントループを管理する中心的な役割を果たします。

しかし、適切に理解し利用しないと、アプリケーションのパフォーマンスに深刻な問題を引き起こす可能性があります。

ここでは、RunLoopを使用する際に直面する可能性が高いいくつかの注意点と、それに対処する方法について解説します。

RunLoopはイベント駆動型のループであり、ユーザーのタッチイベント、タイマー、ネットワークイベント、センサーの入力などのイベントを処理します。

これらのイベントが適切に処理されない場合、アプリケーションは応答しなくなったり、UIが更新されないなどの問題が生じる可能性があります。

○注意すべき一般的な問題

一般的な問題としては、RunLoopが何らかのイベントによって過剰に占有されるケースがあります。

たとえば、重い処理をメインスレッドで行うと、UIの更新が遅れる原因となり、滑らかなスクロールやアニメーションができなくなることがあります。

これを避けるためには、時間のかかるタスクはバックグラウンドスレッドで実行することが推奨されます。

また、タイマーやネットワークリクエストを適切に管理しないと、メモリリークやバッテリー消費の増大を招くこともあります。

例えば、タイマーが予定された時間よりも長く生き残り、必要のない処理を続けるような場合です。

タイマーを適切に無効化するか、不要になった時点で解放することが重要です。

さらに、RunLoopを多用するアプリケーションでは、スレッドの管理が複雑になることがあります。

複数のスレッドが同時にRunLoopを操作しようとすると、競合状態やデータの不整合が起こり得ます。

したがって、スレッドセーフなコードを書くことが不可欠です。

○メモリ管理の最適化

メモリリークはRunLoopを使用する上でよくある問題です。

特にObjective-Cにおいて、参照カウントに基づくメモリ管理を行っているため、強参照サイクルが発生しないよう注意が必要です。

タイマーやネットワークコールバックなどのコンテキストでブロックを使用する際は、’weak’や’__block’修飾子を適切に使用することで、メモリリークを防ぐことができます。

たとえば、自身が所有するオブジェクトをタイマーのコールバック内で参照する場合は、そのオブジェクトに対する弱参照を確保することで、リークを避けることが可能です。

具体的なコードは次の通りです。

// タイマーによるメモリリークを防ぐための例
NSTimer *timer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0
                                                  target:self
                                                selector:@selector(someMethod)
                                                userInfo:nil
                                                 repeats:YES];
// 'self'はタイマーの対象であるが、これが解放されるときにはタイマーも無効にする必要がある。

このコードでは1秒間隔で’someMethod’メソッドを呼び出すタイマーを作成しています。

この例では、タイマーが’self’をターゲットにしているため、’self’が解放された時にタイマーを無効化しなければ、’self’は解放されずにメモリリークが生じます。

これを防ぐためには、’self’の’dealloc’メソッドでタイマーを無効化する処理を追加する必要があります。

- (void)dealloc {
    [timer invalidate];
    timer = nil;
    // タイマーを無効化し、'nil'に設定してメモリリークを防ぐ
}

○スレッドセーフティへの対応

スレッドセーフティは、マルチスレッドプログラミングにおいて重要な側面です。

RunLoopを複数のスレッドで使用する場合、リソースへのアクセスを適切に同期させることが不可欠です。

Objective-Cにおける同期の一般的な手段には、’@synchronized’ブロックやNSLockクラス、GCD（Grand Central Dispatch）のシリアルディスパッチキューがあります。

これらの仕組みを使用して、共有リソースへの安全なアクセスを保証することができます。

コードレベルでの同期の例を見てみましょう。

// NSLockを使用してスレッドセーフに処理を行う例
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];

[lock lock]; // リソースへのアクセス前にロック
// 共有リソースへのスレッドセーフなアクセスを行う処理
[lock unlock]; // 処理後にアンロック

上記のコードは、リソースをスレッド間で共有する際に使用できる基本的な同期メカニズムです。

しかし、過剰なロックやデッドロックを避けるために、ロックの使用は慎重に行う必要があります。

まとめ

Objective-CでのRunLoopの利用法は、アプリケーションのレスポンシブ性とパフォーマンスを維持する上で欠かせない要素です。

この記事では、RunLoopに関する基本から応用、さらにカスタマイズ方法まで10個のポイントを説明しました。

今回解説したポイントを踏まえて、Objective-CにおけるRunLoopの効果的な使い方をマスターし、より高度なアプリケーション開発を目指してください。

実装した知識をもとに、様々なシナリオに適応したカスタマイズや応用が行えるようになることを期待しています。