iOS — block 底层原理

作者: iOS丶lant | 来源:发表于2022-01-19 13:44 被阅读0次

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block

众所周知，block可以封装一个匿名函数为对象，并捕获上下文所需的数据，并传给目标对象在适当的时候回调。
本文将从源码出发，分析block的本质。

一、Block定义

1. Block 定义及使用

返回值类型 (^block变量名)(形参列表) = ^(形参列表) {
};

// 调用Block保存的代码
block变量名(实参);

2. 项目中使用格式
在项目中，通常会重新定义block的类型的别名，然后用别名来定义block的类型

// 定义block类型
typedef void (^Block)(int);

// 定义block
Block block = ^(int a){};

// 调用block
block(3);

二、Block底层实现

block的底层实现是结构体，和类的底层实现类似，都有isa指针，可以把block当成是一个对象。下面通过创建一个控制台程序，来窥探block的底层实现
block 的内存结构图:

Block_layout结构体成员含义如下：

isa: 指向所属类的指针，也就是block的类型
flags: 标志变量，在实现block的内部操作时会用到
Reserved: 保留变量
invoke: block执行时调用的函数指针，block内部的执行代码都在这个函数中
descriptor: block的详细描述，包含 copy/dispose 函数，处理block引用外部变量时使用
variables: block范围外的变量，如果block没有调用任何外部变量，该变量就不存在

Block_descriptor结构体成员含义如下：

reserved: 保留变量
size: block的内存大小
copy: 拷贝block中被 __block 修饰的外部变量
dispose: 和 copy 方法配置应用，用来释放资源
具体实现代码如下（代码来自Block_private.h）:

enum {
    BLOCK_REFCOUNT_MASK =     (0xffff),
    BLOCK_NEEDS_FREE =        (1 << 24),
    BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE =  (1 << 25),
    BLOCK_HAS_CTOR =          (1 << 26), /* Helpers have C++ code. */
    BLOCK_IS_GC =             (1 << 27),
    BLOCK_IS_GLOBAL =         (1 << 28),
    BLOCK_HAS_DESCRIPTOR =    (1 << 29)
};

/* Revised new layout. */
struct Block_descriptor {
    unsigned long int reserved;
    unsigned long int size;
    void (*copy)(void *dst, void *src);
    void (*dispose)(void *);
};

struct Block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved; 
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables. */
};

二、Block转成c++代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 最简block
        ^{ };
    }
    return 0;
}

利用 clang 把 .m 的文件转换为 .cpp 文件，就可以看到 block 的底层实现了

$ clang -rewrite-objc main.m

转换后的代码：

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

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) {
}

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 (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    }
    return 0;
}

从代码中可以看出，__main_block_impl_0就是block的C++实现（最后面的_0代表是main中的第几个block），__main_block_func_0是block的代码块，__main_block_desc_0是block的描述，__block_impl是block的定义。

__block_impl结构体为

struct __block_impl {
  void *isa;//指向所属类的指针，也就是block的类型
  int Flags;//标志变量，在实现block的内部操作时会用到
  int Reserved;//保留变量
  void *FuncPtr;//block执行时调用的函数指针
};

__main_block_impl_0解释如下：

impl: block对象
Desc: block对象的描述

其中，__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) 这是显式构造函数，flags的默认值为0，函数体如下：

__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;
  }

可以看出：

__main_block_impl_0的isa指针指向了_NSConcreteStackBlock，所有的局部block都是在栈上门创建
从main函数中看， __main_block_impl_0的FuncPtr指向了函数__main_block_func_0
__main_block_impl_0的Desc也指向了定义__main_block_desc_0时就创建的__main_block_desc_0_DATA，其中Block_size记录了block结构体大小等信息

__main_block_desc_0成员含义如下：

reserved: 保留变量
Block_size: block内存大小，sizeof(struct __main_block_impl_0)

三、Block变量截获

局部变量截获是值截获。比如:

    NSInteger num = 3;

    NSInteger(^block)(NSInteger) = ^NSInteger(NSInteger n){

        return n*num;
    };

    num = 1;

    NSLog(@"%zd",block(2));

这里的输出是6而不是2，原因就是对局部变量num的截获是值截获。
同样，在block里如果修改变量num，也是无效的，甚至编译器会报错。

对于 block 外的变量引用，block 默认是将其复制到其数据结构中来实现访问的。也就是说block的自动变量截获只针对block内部使用的自动变量, 不使用则不截获, 因为截获的自动变量会存储于block的结构体内部, 会导致block体积变大。特别要注意的是默认情况下block只能访问不能修改局部变量的值。

   NSMutableArray * arr = [NSMutableArray arrayWithObjects:@"1",@"2", nil];

    void(^block)(void) = ^{

        NSLog(@"%@",arr);//局部变量

        [arr addObject:@"4"];
    };

    [arr addObject:@"3"];

    arr = nil;

    block();

打印为1，2，3
局部对象变量也是一样，截获的是值，而不是指针，在外部将其置为nil，对block没有影响，而该对象调用方法会影响

局部静态变量截获是指针截获。

   static  NSInteger num = 3;

    NSInteger(^block)(NSInteger) = ^NSInteger(NSInteger n){

        return n*num;
    };

    num = 1;

    NSLog(@"%zd",block(2));

输出为2，意味着num = 1这里的修改num值是有效的，即是指针截获。
同样，在block里去修改变量m，也是有效的。

__block 修饰的外部变量
对于用 block 修饰的外部变量引用，block 是复制其引用地址来实现访问的。block可以修改block 修饰的外部变量的值。

__block int age = 10;
myBlock block = ^{
    NSLog(@"age = %d", age);
};
age = 18;
block();

输出为：

age = 18

为什么使用__block 修饰的外部变量的值就可以被block修改呢？
我们使用 clang 将 OC 代码转换为 C++ 文件：

__block int val = 10;
转换成
__Block_byref_val_0 val = {
    0,
    &val,
    0,
    sizeof(__Block_byref_val_0),
    10
};

会发现一个局部变量加上block修饰符后竟然跟block一样变成了一个Block_byref_val_0结构体类型的自动变量实例！！！！

四、Block的几种形式

block有三种类型：

全局块(_NSConcreteGlobalBlock)
栈块(_NSConcreteStackBlock)
堆块(_NSConcreteMallocBlock)

这三种block各自的存储域如下图：

全局块存在于全局内存中, 相当于单例.
栈块存在于栈内存中, 超出其作用域则马上被销毁
堆块存在于堆内存中, 是一个带引用计数的对象, 需要自行管理其内存

a、遇到一个Block，我们怎么这个Block的存储位置呢？

1、Block不访问外界变量（包括栈中和堆中的变量）

Block 既不在栈又不在堆中，在代码段中，ARC和MRC下都是如此。此时为全局块。

2、Block访问外界变量

MRC 环境下：访问外界变量的 Block 默认存储栈中。

ARC 环境下：访问外界变量的 Block 默认存储在堆中（实际是放在栈区，然后ARC情况下自动又拷贝到堆区），自动释放。

b、ARC下，访问外界变量的 Block为什么要自动从栈区拷贝到堆区呢？

栈上的Block，如果其所属的变量作用域结束，该Block就被废弃，如同一般的自动变量。当然，Block中的__block变量也同时被废弃。如下图：

为了解决栈块在其变量作用域结束之后被废弃（释放）的问题，我们需要把Block复制到堆中，延长其生命周期。开启ARC时，大多数情况下编译器会恰当地进行判断是否有需要将Block从栈复制到堆，如果有，自动生成将Block从栈上复制到堆上的代码。Block的复制操作执行的是copy实例方法。Block只要调用了copy方法，栈块就会变成堆块。

Block的类	位置	复制效果
NSGlobalBlock	程序数据区	什么也不做
NSStackBlock	栈	从栈复制到堆上
NSMallocBlock	堆	引用计数增加

代码示例：

1、不使用外部变量的block是全局block

   NSLog(@"%@",[^{
        NSLog(@"globalBlock");
    } class]);

输出：NSGlobalBlock

2、使用外部变量并且未进行copy操作的block是栈block

NSInteger num = 10;
    NSLog(@"%@",[^{
        NSLog(@"stackBlock:%zd",num);
    } class]);

输出：NSStackBlock

日常开发时是将block当做参数传递给方法：

- (void)testWithBlock:(void(^)(NSString *string))callback{
    NSString *string = @"string";
    callback(string);

    NSLog(@"%@",[callback class]);
}

    NSInteger num = 10;
    [self testWithBlock:^(NSString *string) {
        NSLog(@"stackBlock:%zd",num);
    }];

输出：NSGlobalBlock

3、对栈block进行copy操作，就是堆block，而对全局block进行copy，仍是全局block

比如堆1中的全局进行copy操作，即赋值：

void (^globalBlock)(void) = ^{
        NSLog(@"globalBlock");
    };

 NSLog(@"%@",[globalBlock class]);

输出：NSGlobalBlock 仍是全局block

而对2中的栈block进行赋值操作：

NSInteger num = 10;

void (^mallocBlock)(void) = ^{

        NSLog(@"stackBlock:%zd",num);
    };

NSLog(@"%@",[mallocBlock class]);

输出：NSMallocBlock

对栈blockcopy之后，并不代表着栈block就消失了，左边的mallock是堆block，右边被copy的仍是栈block
比如:

[self testWithBlock:^{

    NSLog(@"%@",self);
}];

- (void)testWithBlock:(dispatch_block_t)block
{
    block();

    dispatch_block_t tempBlock = block;

    NSLog(@"%@,%@",[block class],[tempBlock class]);
}

输出：NSStackBlock,NSMallocBlock

即如果对栈Block进行copy，将会copy到堆区，对堆Block进行copy，将会增加引用计数，对全局Block进行copy，因为是已经初始化的，所以什么也不做。

c、block变量与forwarding

在copy操作之后，既然block变量也被copy到堆上去了, 那么访问该变量是访问栈上的还是堆上的呢?forwarding 终于要闪亮登场了，如下图：

通过forwarding, 无论是在block中还是 block外访问block变量, 也不管该变量在栈上或堆上, 都能顺利地访问同一个__block变量。

面试基础
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