ios底层原理-代码块(block)的本质（二）

作者: Yasuo_4a5f | 来源:发表于2019-05-30 18:19 被阅读17次

问题

1.什么是block,block的本质是什么？
2.block的属性修饰词为什么是copy？使用block有哪些使用注意？
3.block为什么会发生循环引用?
4.block的变量捕获究竟是怎样进行的？
5.block在修改NSMutableArray，需不需要添加__block？
6.__block和__weak的作用是什么？有什么使用注意点？
7.block中访问的对象和变量什么时候会销毁？

上文ios底层原理-代码块(block)的本质（一）中已经解决了前三个问题，本文继续探寻block的本质，补充上面三个问题，以及解答下面的问题。

block对变量的捕获

为了保证block内部能够正常访问外部的变量，block有个变量捕获机制

首先我们先了解一下有些什么变量

auto 离开作用域就销毁，局部变量前面自动添加auto关键字。

static 修饰的变量为指针传递，同样会被block捕获。

全局变量跨函数访问所以需要捕获，全局变量在哪里都可以访问，所以不用捕获。

block的变量捕获

我们来验证上图是否正确
先新建一个Student类

@interface Student : NSObject
@property(nonatomic,assign)NSInteger age;
@end

@implementation Student
- (void)dealloc
{
    NSLog(@"%@ 对象销毁了",self);
}
@end

写下如下代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        auto int a = 1;
        static int b = 2;
        Student * studentA = [[Student alloc] init];
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"number, a = %d, b = %d", a,b);
            NSLog(@"student : %ld",(long)studentA.age);
        };
        a = 11;
        b = 22;
        block();
    }
    return 0;
}

先转化为c++代码

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  int *b;
  Student *__strong studentA;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int *_b, Student *__strong _studentA, int flags=0) : a(_a), b(_b), studentA(_studentA) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy
  int *b = __cself->b; // bound by copy
  Student *__strong studentA = __cself->studentA; // bound by copy

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_1a94a7_mi_0, a,(*b));
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_1a94a7_mi_1,(long)((NSInteger (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)studentA, sel_registerName("age")));
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->studentA, (void*)src->studentA, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->studentA, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        auto int a = 1;
        static int b = 2;
        Student * studentA = ((Student *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Student *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Student"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b, studentA, 570425344));
        a = 11;
        b = 22;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

直接找到__main_block_impl_0函数中的a,&b，studentA，而__main_block_impl_0结构体中直接定义了一个新的a把传入的a的值赋给了__main_block_impl_0结构体中a变量，把&b的地址传给了__main_block_impl_0结构体中b指针变量,把studentA指针变量赋值给了__main_block_impl_0结构体中的studentA指针变量。
其中studentA也是auto变量。此时此刻可以看到__main_block_impl_0中的Student *__strong studentA是__strong类型的，所以block强引用studentA对象。

那么为什么auto 和 static会有这样的差异呢，auto变量在栈中作用域结束就会被销毁，block在执行的时候有可能自动变量已经被销毁了，因此对于自动变量一定是值传递而不可能是指针传递了，而因为传递的是值得地址，所以在block调用之前修改地址中保存的值，block中的地址是不会变得。所以值会随之改变。归根结底还是为了防止野指针的出现和节约内存开销。

全局变量

typedef void (^Block)(void);
int a = 1;
static int b = 2;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"number, a = %d, b = %d", a,b);
        };
        a = 11;
        b = 22;
        block();
    }
    return 0;
}

转成c++

typedef void (*Block)(void);
int a = 1;
static int b = 2;

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;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_883251_mi_0, a,b);
        }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
        a = 11;
        b = 22;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

此时此刻，__main_block_imp_0并没有添加任何变量，直接调用全局定义的a，b。

block里访问self是否会捕获？

写如下代码

@interface Student : NSObject
@property(nonatomic,assign)NSInteger age;
@end

@interface  Student()
{
    NSInteger sId;
}
@end
@implementation Student
- (void)catchSelf
{
    void(^block)(void) = ^{
        NSLog(@"%@",self);
        NSLog(@"%ld",(long)self.age);
        NSLog(@"%ld",(long)self->_age);
        NSLog(@"%ld",self->sId);
    };
    block();
}
- (void)dealloc
{
    NSLog(@"%@ 对象销毁了",self);
}
+ (void)staticFunc
{
    NSLog(@"类方法");
}
@end

转化为c++

struct __Student__catchSelf_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Student__catchSelf_block_desc_0* Desc;
  Student *self;
  __Student__catchSelf_block_impl_0(void *fp, struct __Student__catchSelf_block_desc_0 *desc, Student *_self, int flags=0) : self(_self) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Student__catchSelf_block_func_0(struct __Student__catchSelf_block_impl_0 *__cself) {
  Student *self = __cself->self; // bound by copy

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_Student_bb73ff_mi_0,self);
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_Student_bb73ff_mi_1,(long)((NSInteger (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("age")));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_Student_bb73ff_mi_2,(long)(*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Student$_age)));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_Student_bb73ff_mi_3,(*(NSInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Student$sId)));
    }
static void _I_Student_catchSelf(Student * self, SEL _cmd) {
    void(*block)(void) = ((void (*)())&__Student__catchSelf_block_impl_0((void *)__Student__catchSelf_block_func_0, &__Student__catchSelf_block_desc_0_DATA, self, 570425344));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}

找到_I_Student_catchSelf函数也就是我们定义的catchSelf函数其中默认传了两个参数Student * self, SEL _cmd。

static void _C_Student_staticFunc(Class self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_Student_bb73ff_mi_5);
}

可以发现我们定义的类方法也是默认传了这两个参数
此时此刻看到我们的catchSelf方法

- (void)catchSelf
{
    void(^block)(void) = ^{
        NSLog(@"%@",self);
        NSLog(@"%ld",(long)self.age);
        NSLog(@"%ld",(long)self->_age);
        NSLog(@"%ld",self->sId);
    };
    block();
}

在block中我使用了sId成员变量和self->_age实例变量以及age的get方法,但在__Student__catchSelf_block_impl_0中只是捕获了self（指向调用者）

注意

self.age调用的是get方法
self->sId 分类的成员变量通过地址获取
self->_age 属性的实例变量通过地址获取

block中访问对象和变量的销毁

直接导入我们上边写过的Student类写如下代码

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block;
        {
            NSLog(@"开始");
            auto int a = 5;
            Student *student = [[Student alloc] init];
            student.age = 100;

            block = ^{
                NSLog(@"------block内%ld",(long)student.age);
            };
        } // 执行完毕，student没有被释放,a释放
        NSLog(@"结束");
    } // student 释放
    return 0;
}

打印内容

大括号执行完毕之后，student对象依然不会被释放,变量a处于作用域之外已经被释放了，上述block为堆block，block里面有一个student指针，student指针指向student对象。只要block还在，student就还在。block强引用了student对象。
在@autoreleasepool之后block被销毁student 对象被销毁。

查看源代码，也发现block确实如上面说的一样强引用student

__weak作用

对student对象进行__weak操作

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block;
        {
            NSLog(@"开始");
            auto int a = 5;
            Student *student = [[Student alloc] init];
            student.age = 100;
            __weak Student *weakStudent = student;
            block = ^{
                NSLog(@"------block内%ld",(long)weakStudent.age);
            };
        } // 执行完毕，student被释放,a被释放
        NSLog(@"结束");
    }
    return 0;
}

打印内容

可以发现__weak添加之后，student在作用域执行完毕之后就被销毁了。这是为什么呢？让我们把代码转化为c++,看看究竟做了些什么操作。
__weak修饰变量，需要告知编译器使用ARC环境及版本号否则会报错。
crun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m -o main-arm64-weak.cpp

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  Student *__weak weakStudent;//用__weak修饰
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, Student *__weak _weakStudent, int flags=0) : weakStudent(_weakStudent) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

可以看到在__main_block_impl_0中依然是用的__weak修饰weakStudent

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};

此时此刻我们看到block结构体__main_block_impl_0的描述结构体__main_block_desc_0中多了两个参数copy和dispose函数

__main_block_copy_0 和 __main_block_dispose_0

首先我们已经说过__main_block_desc_0是block的描述，储存着block的字节大小。那两个参数又有什么用呢？
我们就点进__main_block_copy_0这个函数。

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {
     _Block_object_assign((void*)&dst->weakStudent, (void*)src->weakStudent, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

__main_block_copy_0函数中传入的都是__main_block_impl_0结构体本身。

copy本质就是__main_block_copy_0函数，__main_block_copy_0函数内部调用_Block_object_assign函数，_Block_object_assign中传入的是student对象的地址，student对象，以及3。

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src)
{
    _Block_object_dispose((void*)src->weakStudent, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
    
}

__main_block_dispose_0函数中传入的都是__main_block_impl_0结构体本身。

dispose本质就是__main_block_dispose_0函数，__main_block_dispose_0函数内部调用_Block_object_dispose函数，_Block_object_dispose函数传入的参数是student对象，以及3。

__main_block_copy_0和__main_block_dispose_0函数中会根据变量是强弱指针及有没有被__block修饰做出不同的处理，强指针在block内部产生强引用，弱指针在block内部产生弱引用。被__block修饰的变量最后的参数传入的是8，没有被__block修饰的变量最后的参数传入的是3。

_Block_object_assign函数调用时机及作用

上文已经说过ARC会在赋值给__strong指针时自动进行copy，而此时我们就需要对student对象的引用计数做修改，以确保这个对象在block存在的时候不会被销毁。
当block进行copy操作的时候就会自动调用__main_block_desc_0内部的__main_block_copy_0函数，__main_block_copy_0函数内部会调用_Block_object_assign函数。
_Block_object_assign函数会自动根据__main_block_impl_0结构体内部的student是什么类型的指针,对student对象产生强引用或者弱引用。可以理解为_Block_object_assign函数内部会对student进行引用计数器的操作，如果__main_block_impl_0结构体内student指针是__strong类型，则为强引用，引用计数+1，如果__main_block_impl_0结构体内student指针是__weak类型，则为弱引用，引用计数不变。而__main_block_impl_0结构体内部的student是什么类型的指针是由外面我们定义的对象的具体类型决定。

_Block_object_dispose函数调用时机及作用

当block从堆中移除时就会自动调用__main_block_desc_0中的__main_block_dispose_0函数，__main_block_dispose_0函数内部会调用_Block_object_dispose函数。
_Block_object_dispose会对student对象做释放操作，类似于release，也就是断开对student对象的引用，而student究竟是否被释放还是取决于student对象自己的引用计数。

总结

栈block

如果block是在栈上，将不会对auto变量产生强引用
栈上的block随时会被销毁，也没必要去强引用其他对象

堆block

如果block被拷贝到堆上：

会调用block内部的copy函数

copy函数内部会调用_Block_object_assign函数

_Block_object_assign函数会根据auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用

如果block从堆上移除

会调用block内部的dispose函数

dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数

_Block_object_dispose函数会自动释放引用的auto变量（release）

如果block在栈空间，不管外部变量是强引用还是弱引用，block都会弱引用访问对象

如果block在堆空间，如果外部强引用，block内部也是强引用；如果外部弱引用，block内部也是弱引用

__block作用

__block可以用于解决block内部无法修改auto变量值的问题
__block不能修饰全局变量、静态变量（static）
编译器会将__block变量包装成一个对象
__block修改变量：a->__forwarding->a
__Block_byref_a_0结构体内部地址和外部变量a是同一地址

__forwarding指针指向

先来__block修饰auto变量

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block;
        {
            __block auto int a = 5;
            block = ^{
                NSLog(@"------block内%ld",(long)a);
            };
        }
    }
    return 0;
}

转成c++代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Block block;
        {
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_b48be2_mi_0);
        __attribute__((__blocks__(byref))) auto __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 5};
        block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344));
        }
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_b48be2_mi_2);
    }
    return 0;
}

可以发现__main_block_impl_0函数中传的不再是变量a而是__Block_byref_a_0类型的变量a的地址&a

查看__Block_byref_a_0结构体

struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

此时此刻已经很清晰了变量a包装成了__Block_byref_a_0 结构体，__forwarding指向的就是这个就是这个结构体自己的地址，__Block_byref_a_0 结构体中a变量才是存储值的地方

__isa指针：__Block_byref_a_0中也有isa指针也就是说__Block_byref_a_0本质也一个对象。
__forwarding ：__forwarding是__Block_byref_a_0结构体类型的，并且__forwarding存储的值为(__Block_byref_a_0 *)&a，即结构体自己的内存地址。
__flags ：0
__size ：sizeof(__Block_byref_a_0)即__Block_byref_a_0所占用的内存空间。
a ：真正存储变量的地方，这里存储局部变量5。

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_kz_2rvx1kjx5p75z7v2crt0nw8h0000gn_T_main_b48be2_mi_1,(long)(a->__forwarding->a));
        }

调用block时，先取出__main_block_impl_0中的a，通过a结构体拿到__forwarding指针，上面提到过__forwarding中保存的就是__Block_byref_a_0结构体本身，这里也就是a(__Block_byref_a_0)，在通过__forwarding拿到结构体中的a(5)变量并修改其值。

__forwarding指针的作用

__forwarding指针指向的是结构体自己。当使用变量的时候，通过结构体找到__forwarding指针，在通过__forwarding指针找到相应的变量。这样设计的目的是为了方便内存管理。block被复制到堆上时，会将block中引用的变量也复制到堆中。

__forwarding指针
此时此刻__forwarding函数的操作为了方便堆栈的切换，内存的管理。

__block修饰对象变量
先写如下代码

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block;
        {
            __block Student *student = [[Student alloc] init];
            student.age = 100;
            block = ^{
                NSLog(@"------block内%ld",(long)student.age);
            };
        }
    }
    return 0;
}

查看源码

typedef void (*Block)(void);
struct __Block_byref_student_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_student_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 Student *__strong student;
};

我们对比上面的__Block_byref_a_0结构体，__Block_byref_student_0中添加了内存管理的两个函数__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose

上文提到当block中捕获对象类型的变量时，block中的__main_block_desc_0结构体内部会自动添加copy和dispose函数对捕获的变量进行内存管理。
那么同样的当block内部捕获__block修饰的对象类型的变量时，__Block_byref_person_0结构体内部也会自动添加__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose对被__block包装成结构体的对象进行内存管理。

当block内存在栈上时，并不会对__block变量产生内存管理。当blcok被copy到堆上时
会调用block内部的copy函数，copy函数内部会调用_Block_object_assign函数，_Block_object_assign函数会对__block变量形成强引用（相当于retain）

__block copy内存管理

当block从堆中移除的话，就会调用dispose函数，也就是__main_block_dispose_0函数，__main_block_dispose_0函数内部会调用_Block_object_dispose函数，会自动释放引用的__block变量。

__block 释放内存管理

block内部决定什么时候将变量复制到堆中，什么时候对变量做引用计数的操作。

__block修饰的变量在block结构体中一直都是强引用，而其他类型的是由传入的对象指针类型决定。

block在修改NSMutableArray，需不需要添加__block？

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
        Block block = ^{
            [array addObject: @"c++"];
            [array addObject: @"c#"];
            NSLog(@"%@",array);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

command + r

打印内容

在block块中仅仅是使用了array的内存地址，往内存地址中添加内容，并没有修改arry的内存地址，因此array不需要使用__block修饰也可以正确编译。同理add 和remove方法都不需要__block，同理 NSMutableDictionary,NSMutableSet,NSMutableString和NSMutable.....都是同一个道理。

归根结底，了解这么多并不只是为了知道怎么防止循环引用，学到的应该是学习进阶的方式，还有设计模式和逻辑结构。

到此block底层篇已经结束了，如有补充或交流请加微信

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ios底层原理-代码块(block)的本质（二）

问题

block对变量的捕获

全局变量

block里访问self是否会捕获？

注意

block中访问对象和变量的销毁

__weak作用

__main_block_copy_0 和 __main_block_dispose_0

_Block_object_assign函数调用时机及作用

_Block_object_dispose函数调用时机及作用

总结

如果block在栈空间，不管外部变量是强引用还是弱引用，block都会弱引用访问对象

如果block在堆空间，如果外部强引用，block内部也是强引用；如果外部弱引用，block内部也是弱引用

__block作用

__forwarding指针的作用

block在修改NSMutableArray，需不需要添加__block？

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