Block底层探究

一、定义一个Block

NSString *globalStr = @"globalStr";

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        NSString *str = @"aaa";
        __block int a = 10;
        static NSString *staticStr = @"static";

        void(^block)(void) = ^(void) {

            [str class];
            [globalStr class];
            [staticStr class];
            a = 20;
            
        };
        
        block();

    }
    return 0;
}

在上面的代码中定义了一个无返回值无参数的block，并定义了一个全局变量globalStr，两个局部变量str、a以及一个静态变量staticStr。我们知道在block内部不能修改局部变量，而静态变量和全局变量可以修改，如果要修改局部变量则需要用__block修饰，就像上面的a变量一样，下面我们就来探究一下为什么在block内部不能修改局部变量。

二、将.m文件重写成.cpp

xcode默认编译器是clang，我们打开终端，通过clang -rewrite-objc main.m将main.m重写成main.cpp文件。我将重写前和重写后的main函数截图放在一起，方便对比，如下所示：

image

从上图中我们看到定义的void(^block)()转换成了一个c++的结构体__main_block_impl_0，通过同名的构造函数__main_block_impl_0（）初始化结构体，可以看到，初始化结构体的时候我们将block内部用到的变量str、staticStr、a传递进结构体中。注意观察,str是直接传递，而staticStr和a变量是以&staticStr和&a传递的，也即是传递的变量的地址。同时，block体的实现转换成了c函数__main_block_func_0,以函数指针的形式传递。我们再来看看__main_block_impl_0内部构造，如图：

image

我们看到定义的int a变量是被__block修饰，编译器将之转成了__Block_byref_a_0类型的结构体，如下所示：

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

__block int a = 10;就转换成
__Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};

对照__Block_byref_a_0的结构，isa指向0(NULL)，__forwarding指向这个结构体自己（block在arc下赋值时，会自动copy，block就从栈copy到了堆上，block内保存的变量也会被copy一份，此时这个forwarding就指向了堆上的Block_byref,同时堆上的Block_byref的forwarding还是指向自身），__flags为0，__size是结构体大小，a = 10。

接下来看block体中的实现，也即是__main_block_func_0

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


    ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)str, sel_registerName("class"));
    ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)globalStr, sel_registerName("class"));
    ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)(*staticStr), sel_registerName("class"));
    (a->__forwarding->a) = 20;

}

函数参数__cself就是block转换后的结构体，然后从这个结构体中取出保存的外部变量，globalStr是全局变量，它的作用域包含这个函数，所以我们不需要在block结构体中保存全局变量。

三、Block打破循环引用

block在使用过程中，尤其要注意循环引用问题，一般循环引用出现的场景是,self持有block，然后在block体内使用了self，从前面的内容我们知道，block内部会保存使用的变量，所以block会对self进行持有，self->block->self造成循环引用。打破循环引用的方式是__weak typeof(self) weakSelf = self;下面我们来看看__weak关键字做了什么。首先weak是arc下的特性，所以我们要用clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=macosx-10.7 main.m重写成arc下的，重写前后如下所示：

image
我们直接查看__main_block_impl_0的结构

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
    
  NSString *__weak weakStr;
  NSString *__strong strongStr;
    
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, NSString *__weak _weakStr, int flags=0) : weakStr(_weakStr) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

可以看见结构体中weakStr是弱引用的方式引用, strongStr是强引用的方式,所以block对weakStr就没有持有关系，故用__weak typeof(self) weakSelf = self;就可以打破之前说的循环引用。

总结：定义一个block时，编译器会将block转换成__main_block_impl_0结构体，当block内部使用外部变量时，会将外部变量当成实参传递进该结构体中（值传递）,局部静态变量会以指针形式传递进去。block体的实现内容会转化成__main_block_func_0函数指针保存在__main_block_impl_0结构体中，全局变量的作用域包括这个__main_block_func_0函数内，所以全局变量不需要传递进结构体。__block定义的外部变量会包装成 Block_Byref结构体，内部保存着外部变量，然后以指针传递进__main_block_impl_0，所以block内可以更改__block修饰的变量；__weak关键字修饰的变量，在__main_block_impl_0中使用的__weak关键字存储，所以不会对其强引用。