iOS Block用法与实现原理

作者: KOLee | 来源:发表于2020-03-18 11:46 被阅读0次

最近在看Block原理的时候看了一篇文章iOS Block用法和实现原理，并且对照了《Objective-C高级编程》这本书中对于Block的解析，发现文章把书本中的重点部分都记载出来。所以在这里转载过来，对应着书本的详解和这篇文章能更清晰的理解Block的实现原理；

一、何为Block？

Block：带有自动变量值的匿名函数。（匿名函数：没有函数名的函数，一对{}包裹的内容是匿名函数的作用域。
自动变量：栈上声明的一个变量不是静态变量和全局变量，是不可以在这个栈内声明的匿名函数中使用的，但在Block中却可以。）
虽然使用Block不用声明类，但是Block提供了类似Objective-C的类一样可以通过成员变量来保存作用域外变量值的方法，那些在Block的一对{}里使用到但却是在{}作用域以外声明的变量，就是Block截获的自动变量。

二、Block语法

Block表达式语法：

^ 返回值类型 (参数列表) {表达式}

^ int (int count) {
      return count + 1;
  };

其中返回值类型参数都可省略

   ^ {
       NSLog(@"No Parameter");
   };

Block类型变量

声明Block类型变量语法：

返回值类型 (^变量名)(参数列表) = Block表达式

例如，如下声明了一个变量名为blk的Block：

    int (^blk)(int) = ^(int count) {
        return count + 1;
    };

当Block类型变量作为函数的参数时，写作：

- (void)func:(int (^)(int))blk {
    NSLog(@"Param:%@", blk);
}

借助typedef可简写：

typedef int (^blk_k)(int);

- (void)func:(blk_k)blk {
    NSLog(@"Param:%@", blk);
}

三、截获自动变量值

Block表达式可截获所使用的自动变量的值。
截获：保存自动变量的瞬间值。
因为是“瞬间值”，所以声明Block之后，即便在Block外修改自动变量的值，也不会对Block内截获的自动变量值产生影响。

  int i = 10;
    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"In block, i = %d", i);
    };
    i = 20;//Block外修改变量i，也不影响Block内的自动变量
    blk();//i修改为20后才执行，打印: In block, i = 10
    NSLog(@"i = %d", i);//打印：i = 20

四、__block说明符号

自动变量值为一个变量情况

自动变量截获的值为Block声明时刻的瞬间值，保存后就不能改写该值，如需对自动变量进行重新赋值，需要在变量声明前附加__block说明符，这时该变量称为__block变量。例如：

  __block int i = 10;//i为__block变量，可在block中重新赋值
    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"In block, i = %d", i);
    };
    i = 20;
    blk();//打印: In block, i = 20
    NSLog(@"i = %d", i);//打印：i = 20

自动变量值为一个对象情况

当自动变量为一个类的对象，且没有使用__block修饰时，虽然不可以在Block内对该变量进行重新赋值，但可以修改该对象的属性。
如果该对象是个Mutable的对象，例如NSMutableArray，则还可以在Block内对NSMutableArray进行元素的增删：

    NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] initWithObjects:@"1", @"2",nil ];
    NSLog(@"Array Count:%ld", array.count);//打印Array Count:2
    void (^blk)(void) = ^{
        [array removeObjectAtIndex:0];//Ok
        //array = [NSNSMutableArray new];//没有__block修饰，编译失败！
    };
    blk();
    NSLog(@"Array Count:%ld", array.count);//打印Array Count:1

Block实现原理

使用Clang
Block实际上是作为极普通的C语言源码来处理的：含有Block语法的源码首先被转换成C语言编译器能处理的源码，再作为普通的C源代码进行编译。
使用LLVM编译器的clang命令可将含有Block的Objective-C代码转换成C++的源代码，以探查其具体实现方式：

clang -rewrite-objc 源码文件名

注：如果使用该命令报错：’UIKit/UIKit.h’ file not found，可参考《Objective-C编译成C++代码报错》解决。

Block结构
使用Block的时候，编译器对Block语法进行了怎样的转换？

    int main() {
        int count = 10;
        void (^ blk)() = ^(){
            NSLog(@"In Block:%d", count);
        };
        blk();
    }

如上所示的最简单的Block使用代码，经clang转换后，可得到以下几个部分（有代码删减和注释添加）：

static void __main_block_func_0(
    struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int count = __cself->count; // bound by copy
    
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_d2f8d2_mi_0, 
    count);

这是一个函数的实现，对应Block中{}内的内容，这些内容被当做了C语言函数来处理，函数参数中的__cself相当于Objective-C中的self。

    struct __main_block_impl_0 {
      struct __block_impl impl;
      struct __main_block_desc_0* Desc; //描述Block大小、版本等信息
      int count;
      //构造函数函数
      __main_block_impl_0(void *fp,
              struct __main_block_desc_0 *desc,
              int _count,
              int flags=0) : count(_count) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; //在函数栈上声明，则为_NSConcreteStackBlock
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
      }
    };

__main_block_impl_0即为main()函数栈上的Block结构体，其中的__block_impl结构体声明如下：

    struct __block_impl {
      void *isa;//指明对象的Class
      int Flags;
      int Reserved;
      void *FuncPtr;
    };

去除掉复杂的类型转化，可简写为：

    int main() {
        int count = 10;
        sturct __main_block_impl_0 *blk = &__main_block_impl_0(__main_block_func_0,         //函数指针
                                                               &__main_block_desc_0_DATA)); //Block大小、版本等信息
    
        (*blk->FuncPtr)(blk);   //调用FuncPtr指向的函数，并将blk自己作为参数传入
    }

由此，可以看出，Block也是Objective-C中的对象。
Block有三种类（即__block_impl的isa指针指向的值，isa说明参考《Objective-C isa 指针与 runtime 机制》），根据Block对象创建时所处数据区不同而进行区别：

_NSConcreteStackBlock：在栈上创建的Block对象
_NSConcreteMallocBlock：在堆上创建的Block对象
_NSConcreteGlobalBlock：全局数据区的Block对象

一、如何截获自动变量

上部分介绍了Block的结构，和作为匿名函数的调用机制，那自动变量截获是发生在什么时候呢？
观察上节代码中__main_block_impl_0结构体（main栈上Block的结构体）的构造函数可以看到，栈上的变量count以参数的形式传入到了这个构造函数中，此处即为变量的自动截获。
因此可以这样理解：__block_impl结构体已经可以代表Block类了，但在栈上又声明了__main_block_impl_0结构体，对__block_impl进行封装后才来表示栈上的Block类，就是为了获取Block中使用到的栈上声明的变量（栈上没在Block中使用的变量不会被捕获），变量被保存在Block的结构体实例中。
所以在blk()执行之前，栈上简单数据类型的count无论发生什么变化，都不会影响到Block以参数形式传入而捕获的值。但这个变量是指向对象的指针时，是可以修改这个对象的属性的，只是不能为变量重新赋值。

二、Block的存储域

上文已提到，根据Block创建的位置不同，Block有三种类型，创建的Block对象分别会存储到栈、堆、全局数据区域。

    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"Global Block");
    };
    int main() {
        blk();
        NSLog(@"%@",[blk class]);//打印：__NSGlobalBlock__
    }

像上面代码块中的全局blk自然是存储在全局数据区，但注意在函数栈上创建的blk，如果没有截获自动变量，Block的结构实例还是会被设置在程序的全局数据区，而非栈上：

    int main() {
        void (^blk)(void) = ^{//没有截获自动变量的Block
            NSLog(@"Stack Block");
        };
        blk();
        NSLog(@"%@",[blk class]);//打印:__NSGlobalBlock__
        
        int i = 1;
        void (^captureBlk)(void) = ^{//截获自动变量i的Block
            NSLog(@"Capture:%d", i);
        };
        captureBlk();
        NSLog(@"%@",[captureBlk class]);//打印：__NSMallocBlock__
    }

可以看到截获了自动变量的Block打印的类是NSGlobalBlock，表示存储在全局数据区。
但为什么捕获自动变量的Block打印的类却是设置在堆上的NSMallocBlock，而非栈上的NSStackBlock?这个问题稍后解释。

三、Block复制

配置在栈上的Block，如果其所属的栈作用域结束，该Block就会被废弃，对于超出Block作用域仍需使用Block的情况，Block提供了将Block从栈上复制到堆上的方法来解决这种问题，即便Block栈作用域已结束，但被拷贝到堆上的Block还可以继续存在。
复制到堆上的Block，将_NSConcreteMallocBlock类对象写入Block结构体实例的成员变量isa：

impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;

在ARC有效时，大多数情况下编译器会进行判断，自动生成将Block从栈上复制到堆上的代码，以下几种情况栈上的Block会自动复制到堆上：

调用Block的copy方法
将Block作为函数返回值时
将Block赋值给__strong修改的变量时
向Cocoa框架含有usingBlock的方法或者GCD的API传递Block参数时

其它时候向方法的参数中传递Block时，需要手动调用copy方法复制Block。
上一节的栈上截获了自动变量i的Block之所以在栈上创建，却是NSMallocBlock类，就是因为这个Block对象赋值给了_strong修饰的变量captureBlk（_strong是ARC下对象的默认修饰符）。
因为上面四条规则，在ARC下其实很少见到_NSConcreteStackBlock类的Block，大多数情况编译器都保证了Block是在堆上创建的，如下代码所示，仅最后一行代码直接使用一个不赋值给变量的Block，它的类才是NSStackBlock：

    int count = 0;
    blk_t blk = ^(){
        NSLog(@"In Stack:%d", count);
    };
    
    NSLog(@"blk's Class:%@", [blk class]);//打印：blk's Class:__NSMallocBlock__
    NSLog(@"Global Block:%@", [^{NSLog(@"Global Block");} class]);//打印：Global Block:__NSGlobalBlock__
    NSLog(@"Copy Block:%@", [[^{NSLog(@"Copy Block:%d",count);} copy] class]);//打印：Copy Block:__NSMallocBlock__
    NSLog(@"Stack Block:%@", [^{NSLog(@"Stack Block:%d",count);} class]);//打印：Stack Block:__NSStackBlock__

关于ARC下和MRC下Block自动copy的区别，查看《Block 小测验》里几道题目就能区分了。
另外，原书存在ARC和MRC混合讲解、区分不明的情况，比如书中几个使用到栈上对象导致Crash的例子是MRC条件下才会发生的，但书中没做特殊说明。

四、使用__block发生了什么

Block捕获的自动变量添加__block说明符，就可在Block内读和写该变量，也可以在原来的栈上读写该变量。
自动变量的截获保证了栈上的自动变量被销毁后，Block内仍可使用该变量。
__block保证了栈上和Block内（通常在堆上）可以访问和修改“同一个变量”，__block是如何实现这一功能的？
__block发挥作用的原理：将栈上用__block修饰的自动变量封装成一个结构体，让其在堆上创建，以方便从栈上或堆上访问和修改同一份数据。
验证过程：
现在对刚才的代码段，加上__block说明符，并在block内外读写变量count。

int main() {
    __block int count = 10;
    void (^ blk)() = ^(){
        count = 20;
        NSLog(@"In Block:%d", count);//打印：In Block:20
    };
    count ++;
    NSLog(@"Out Block:%d", count);//打印：Out Block:11
    blk();

将上面的代码段clang，发现Block的结构体__main_block_impl_0结构如下所示：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_count_0 *count; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_count_0 *_count, int flags=0) : count(_count->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }

最大的变化就是count变量不再是int类型了，count变成了一个指向__Block_byref_count_0结构体的指针，__Block_byref_count_0结构如下：

struct __Block_byref_count_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_count_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int count;
};

它保存了int count变量，还有一个指向__Block_byref_count_0实例的指针__forwarding，通过下面两段代码__forwarding指针的用法可以知道，该指针其实指向的是对象自身：
//Block的执行函数

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_count_0 *count = __cself->count; // bound by ref
 
        (count->__forwarding->count) = 20;//对应count = 20;
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_fafeeb_mi_0, 
        (count->__forwarding->count));
    }

//main函数
int main() {
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_count_0 count = {(void*)0,
    (__Block_byref_count_0 *)&count, 
    0, 
    sizeof(__Block_byref_count_0), 
    10};
    
    void (* blk)() = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, 
    &__main_block_desc_0_DATA, 
    (__Block_byref_count_0 *)&count, 
    570425344));
    
    (count.__forwarding->count) ++;//对应count ++;
    
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_fafeeb_mi_1, 
    (count.__forwarding->count));
    
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
}

为什么要通过__forwarding指针完成对count变量的读写修改？
为了保证无论是在栈上还是在堆上，都能通过都__forwarding指针找到在堆上创建的count这个__main_block_func_0结构体，以完成对count->count（第一个count是__main_block_func_0对象，第二个count是int类型变量）的访问和修改。

五、Block的循环引用

Block的循环引用原理和解决方法大家都比较熟悉，此处将结合上文的介绍，介绍一种不常用的解决Block循环引用的方法和一种借助Block参数解决该问题的方法。
Block循环引用原因：一个对象A有Block类型的属性，从而持有这个Block，如果Block的代码块中使用到这个对象A，或者仅仅是用用到A对象的属性，会使Block也持有A对象，导致两者互相持有，不能在作用域结束后正常释放。
解决原理：对象A照常持有Block，但Block不能强引用持有对象A以打破循环。
解决方法：
方法一：对Block内要使用的对象A使用__weak进行修饰，Block对对象A弱引用打破循环。

有三种常用形式：

使用__weak ClassName

    __block XXViewController* weakSelf = self;
    self.blk = ^{
        NSLog(@"In Block : %@",weakSelf);
    };

2.使用__weak typeof(self)

    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    self.blk = ^{
        NSLog(@"In Block : %@",weakSelf);
    };

3.Reactive Cocoa中的@weakify和@strongify

    @weakify(self);
    self.blk = ^{
        @strongify(self);
        NSLog(@"In Block : %@",self);
    };

其原理参考《@weakify, @strongify》，自己简便实现参考《@weak - @strong 宏的实现》

方法二：对Block内要使用的对象A使用__block进行修饰，并在代码块内，使用完__block变量后将其设为nil，并且该block必须至少执行一次。

   __block XXController *blkSelf = self;
        self.blk = ^{
            NSLog(@"In Block : %@",blkSelf);
            blkSelf = nil;//不能省略
        };
   self.blk();//该block必须执行一次，否则还是内存泄露

在block代码块内，使用完使用完__block变量后将其设为nil，并且该block必须至少执行一次后，不存在内存泄露，因为此时：

XXController对象持有Block对象blk
blk对象持有__block变量blkSelf(类型为编译器创建的结构体)
__block变量blkSelf在执行blk()之后被设置为nil（__block变量结构体的__forwarding指针指向了nil），不再持有XXController对象，打破循环

第二种使用__block打破循环的方法，优点是：

可通过__block变量动态控制持有XXController对象的时间，运行时决定是否将nil或其他变量赋值给__block变量
不能使用__weak的系统中，使用__unsafe_unretained来替代__weak打破循环可能有野指针问题，使用__block则可避免该问题

其缺点也明显：

必须手动保证__block变量最后设置为nil
block必须执行一次，否则__block不为nil循环应用仍存在

因此，还是避免使用第二种不常用方式，直接使用__weak打破Block循环引用。
方法三：将在Block内要使用到的对象（一般为self对象），以Block参数的形式传入，Block就不会捕获该对象，而将其作为参数使用，其生命周期系统的栈自动管理，不造成内存泄露。
即原来使用__weak的写法：

  __weak typeof(self) weakSelf = self;
  self.blk = ^{
      __strong typeof(self) strongSelf = weakSelf;
      NSLog(@"Use Property:%@", strongSelf.name);
      //……
  };
  self.blk();

改为Block传参写法后：

    self.blk = ^(UIViewController *vc) {
        NSLog(@"Use Property:%@", vc.name);
    };
    self.blk(self);

优点：

简化了两行代码，更优雅
更明确的API设计：告诉API使用者，该方法的Block直接使用传进来的参数对象，不会造成循环引用，不用调用者再使用weak避免循环

该种用法的详细思路，和clang后的数据结构，可参考《Heap-Stack Dance》。

iOS Block用法与实现原理

一、何为Block？

二、Block语法

三、截获自动变量值

四、__block说明符号

自动变量值为一个变量情况

自动变量值为一个对象情况

Block实现原理

一、如何截获自动变量

二、Block的存储域

三、Block复制

四、使用__block发生了什么

五、Block的循环引用

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