iOS中使用Clang查看Block(Closure)的实现

作者: XueYongWei | 来源:发表于2018-11-27 15:44 被阅读86次

什么是Block

Apple文档说：“A block is an anonymous inline collection of code, and sometimes also called a "closure".

一个block是一个匿名内联代码的集合，有时候也叫”Closure“。

block提供了一种新的方式进行回调，并且用block进行回调还可以直接访问局部变量，这是一般的函数做不到的。

Bblock的几种适用场合：任务完成时回调处理，消息监听回调处理，错误回调处理，枚举回调，视图动画、变换，排序。

写一个简单的Block

在开发中使用Block的地方很多，最常见的是UIView的animation(**)动画，以及GCD。使用Block的时候最需要注意的是内存泄漏，在block中使用的局部变量需要用__block修饰；防止循环引用的时候，要使用__weak修饰的对象。

使用C写一个Block：打开终端，输入：

vi test.c

然后键入i开始插入代码：

#include <stdio.h>
int main(){
void(^blk)(void) = ^{
  printf("Block\n");
};
blk();
return 0;
}

键入esc，键入:,键入wq。

得到文件test.c,可在🏠家目录看到此文件。

查看实现代码

然后在终端中键入gcc test.c,得到编译后的输出文件 a.out。
终端中键入clang -rewrite-objc test.c,得到C++文件test.cpp。
双击使用Xcode打开此文件，就是实现代码了。
看到了两个熟悉的面孔：

weak

此文件有近600行代码，我们只看自己和本次研究相关的代码。

分析代码

首先在CPP文件中找到main函数，对应我们写的代码：

CPP代码对比

两行代码相对应。

第一行：

void(*blk)(void) =
    ((void (*)()) &__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA) );

通过__main_block_impl_0创建了一个变量blk。
__main_block_impl_0是一个struct，包含了 __block_impl 的 impl。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

可以看到，在构造函数里有三个参数，一个是函数指针，一个是desc，一个flags。
注意到:isa指针指向了_NSConcreteStackBlock，把传进来的函数指针fp记录到了impl里的FuncPtr。
_NSConcreteStackBlock是Block的类型，共有三种：

_NSConcreteGlobalBlock（全局）
_NSConcreteStackBlock（栈）
_NSConcreteMallocBlock（堆）

虚拟内存段的分布图如下：

分布图

这里不对类型进行深入研究，不过最后一种是私有，基本不会遇到。第一种类型出现的情况是定义了一个全局的Block，比如：

void (^globalBlock)() = ^{
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    return 0;
}

书归正传，接着讨论。传进来的函数指针fp记录到了impl里的FuncPtr，这个impl变量是__block_impl结构体，查看这个struct：

struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};

回到CPP里main函数里的第一行代码，在调用这一函数的时候，传入的函数指针参数是

__main_block_func_0

找到这个函数：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

  printf("Block\n");
}

这正是我们写进block里的代码，也就是说__main_block_impl_0要执行的就是这一段代码。

这一行，只是创建了blk，并未执行。

第二行
这一行代码就是执行这个Block里面的内容。

((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);

调用了blk的FuncPtr(__block_impl *)blk)->FuncPtr，即执行了__main_block_func_0函数，输出了"Block\n"这一字符串.

写一个闭包捕获

我们大多数情况需要在闭包里访问闭包外的局部变量、全局变量、静态变量。想一下，闭包如果捕获了局部变量，会出现什么问题？
先写一个捕获变量的block代码：
如先前所述方法再创建一个文件testBlock.c:

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 2;
    void(^blk)(void) = ^{
        a = 3;
        printf("Block\n");
    };
    blk();
    return 0;
}

代码有问题吗？
终端键入：gcc testBlock.c编译一下，出错了：

出错了
看到错误提示：

error: variable is not assignable (missing __block type
specifier)

是的，我们需要添加__block来说明这个变量是需要在block中使用的。
为什么要添加这个说明符？是如何作用的？我们大概猜一下，应该是更改了这个变量的作用域，把它从栈挪到了堆中。
写正确的代码继续实验，更改代码为：

#include <stdio.h>
int main(){
    __block int a = 2;
    void(^blk)(void) = ^{
        a = 3;
        printf("Block\n");
    };
    blk();
    return 0;
}

继续编译，成功。
使用Clang来获得实现代码，得到的C++的代码testBlock.cpp。
仍然先找到main入口函数：

int main(){
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 2};
    void(*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

代码太长，挤得太密，断个句，放个图：

main()

emm...多了些。
先找到熟悉的代码，第一行是定义了一个__block修饰的变量a。
第二行就是刚才所见的第一行的内容，创建一个Block的blk，第三行就是执行。

我们先研究第一行，首先注意到的是__Block_byref_a_0这个结构体：

__Block_byref_a_0

有__isa指针，也是个对象。发现有一个同样是__Block_byref_a_0类型的变量__forwarding，发现了古怪：

__Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 2}

__forwarding竟然指向了自己，所以以后这个东西改变会指向谁呢？
研究第二行，创建block的时候，多了两个参数，一个是(__Block_byref_a_0 *)&a，即需要捕获的变量a，还有一个参数570425344，什么鬼？
它是一个标记值，570425344的值是1<<29，即BLOCK_HAS_DESCRIPTOR这个枚举值。Soga，原来是标记了“闭包有描述符”。

原来如此
这时候注意__main_block_desc_0_DATA，变了嘿，多了两个参数__main_block_copy_0, __main_block_dispose_0

__main_block_desc_0_DATA

看看什么东东：

copy
分别调用了_Block_object_assign和_Block_object_dispose函数，追下去，看看什么：

dllexport
看到了__declspec(dllexport)，__declspec(dllexport)用于动态库中，声明导出函数、类、对象等供外面调用。
我找了下资料，这就到了Objc的Block源代码中，有这么一个实现，截取有用的代码：

// _Block_object_assign源码
void _Block_object_assign(void *destAddr, const void *object, const int flags) {
...
    else if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_BYREF) == BLOCK_FIELD_IS_BYREF)  {
        // copying a __block reference from the stack Block to the heap
        // flags will indicate if it holds a __weak reference and needs a special isa
        _Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags);
    }
...
}

注意到了_Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags);,注释为copying a __block reference from the stack Block to the heap.果不其然，把__block标注的引用从栈拷贝到了堆中。
查看_Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags);方法如下：

// _Block_byref_assign_copy源码
static void _Block_byref_assign_copy(void *dest, const void *arg, const int flags) {
    struct Block_byref **destp = (struct Block_byref **)dest;
    struct Block_byref *src = (struct Block_byref *)arg;
...
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_REFCOUNT_MASK) == 0) {
        // 从main函数对__Block_byref_a_0的初始化，可以看到初始化时将flags赋值为0
        // 这里表示第一次拷贝，会进行复制操作，并修改原来flags的值
        // static int _Byref_flag_initial_value = BLOCK_NEEDS_FREE | 2;
        // 可以看出，复制后，会并入BLOCK_NEEDS_FREE，后面的2是block的初始引用计数
        ...
        copy->flags = src->flags | _Byref_flag_initial_value;
        ...
    }
    // 已经拷贝到堆了，只增加引用计数
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) == BLOCK_NEEDS_FREE) {
        latching_incr_int(&src->forwarding->flags);
    }
    // 普通的赋值，里面最底层就*destptr = value;这句表达式
    _Block_assign(src->forwarding, (void **)destp);
}

由于block的拷贝最终都会调用_Block_copy_internal函数，所以观察这个函数就可以知道堆中block是如何被创建的了：

static void *_Block_copy_internal(const void *arg, const int flags) {
    struct Block_layout *aBlock;
    ...
    aBlock = (struct Block_layout *)arg;
    ...
    // Its a stack block.  Make a copy.
    if (!isGC) {
        // 申请block的堆内存
        struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
        if (!result) return (void *)0;
        // 拷贝栈中block到刚申请的堆内存中
        memmove(result, aBlock, aBlock->descriptor->size); // bitcopy first
        // reset refcount
        result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK);    // XXX not needed
        result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
        // 改变isa指向_NSConcreteMallocBlock，即堆block类型
        result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
        if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
            //printf("calling block copy helper %p(%p, %p)...\n", aBlock->descriptor->copy, result, aBlock);
            (*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
        }
        return result;
    }
    else {
        ...
    }
}

从以上代码以及注释可以很清楚的看出，函数通过memmove将栈中的block的内容拷贝到了堆中，并使isa指向了_NSConcreteMallocBlock。
block主要的一些学问就出在栈中block向堆中block的转移过程中了。

书归正传，回到咱们通过clang得到的C++实现代码中来，调用的函数指针指向的方法__main_block_func_0为：

__main_block_func_0

注意到(a->__forwarding->a) = 3;，这时候修改a的值的时候是修改的__forwarding的值，即已经是堆中的值。

这时候，就不会出现block回调的时候，局部变量已经释放的问题了，因为已经“捕获”到了。

iOS中使用Clang查看Block(Closure)的实现

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