Block 底层原理（一）

作者: Jax_YD | 来源:发表于2021-01-12 11:27 被阅读0次

block的本质是对象、函数、结构体。

一、block 定义

block：带有自动变量的匿名函数。
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：栈上声明一个变量既不是静态变量，又不是全局变量，是不可以在栈内声明的匿名函数中使用的。但是在block中却可以，虽然使用block不用声明类，但是block提供了类似OC的类一样，可以通过成员变量来保护作用域外变量值的方法，那些再block的一对{}里面使用到，但却是在{}作用域外声明的变量，就是block接货的自动变量。

block表达式语法

^ 返回值类型(参数列表){表达式}

1、无参数，无返回值

// 1、无参数，无返回值
void(^block)(void) = ^ {
    NSLog(@"block");
};
block();

2、有参数，无返回值

// 2、有参数，无返回值
void(^block)(int, NSString*) = ^(int a, NSString *name){
    NSLog(@"%@ -- %d", name, a);
};
block(10, @"block");

3、有参数，有返回值

// 3、有参数，有返回值
int(^block)(int, int) = ^(int a, int b){
    NSLog(@"block -- %d", a+b);
    return a+b;
};
block(10, 20);

4、无参数，有返回值

// 4、无参数，有返回值
int(^block)(void) = ^{
    NSLog(@"block -- 40");
    return 40;
};
block();

5、在开发中我们还可以用typedef定义block

typedef int(^block)(int, NSString*);

可以这样使用：

block Myblock = ^(int a, NSString *name){
    NSLog(@"%@ -- %d", name, a);
    return 40;
};
NSLog(@"%d", Myblock(10, @"block"));

也可以定义成属性：

@property (nonatomic, copy) block Myblock;

二、block的分类

block主要分为三类：
① 全局block：_NSConcreteGlobalBlock；存储在全局内存中，相当于单例。
② 栈block：_NSConcreteStackBlock；存储在栈内存中，超出其作用域则马上被销毁。
③ 堆block：_NSConcreteMallocBlock；存储在堆内存中，是一个带引用计数的对象，需要自行管理其内存。
这三种block各自的存储区域如下图：

image.png
简而言之，存储在栈中的block就是栈块，存储在堆区的就是堆块，既不在栈区也不在堆区的就是全局块
当我们遇到一个block，怎么去判定这个block的存储位置呢？

（1）block不访问外部变量（包括栈和堆中的变量）
此时block既不在栈中，也不在堆中，在代码段中。ARC和MRC下都是如此。
此时为全局block：_NSConcreteGlobalBlock

void(^block)(void) = ^{
};
NSLog(@"%@", block);
/*输出结果为*/
<__NSGlobalBlock__: 0x100004030>

（2）block访问外部变量
MRC环境下：访问外部变量的block默认是存储在栈中的。
ARC环境下：访问外部变量的block默认是存储在堆中的（实际是放在栈区，然后ARC情况下又自动拷贝到堆区），自动释放。

MRC 环境：

int a = 10;
void(^block)(void) = ^{
    NSLog(@"%d", a);
};
NSLog(@"%@", block);
/*输出结果为*/
<__NSStackBlock__: 0x7ffeefbff3e8>

ARC 环境下

int a = 10;
void(^block)(void) = ^{
    NSLog(@"%d", a);
};
NSLog(@"%@", block);
/*输出结果为*/
<__NSMallocBlock__: 0x1040508b0>

在ARC环境下我们怎么获取栈block呢？
我们可以这样做：

int a = 10;
void(^ __weak block)(void) = ^{
    NSLog(@"%d", a);
};
NSLog(@"%@", block);
/*输出结果为*/
<__NSStackBlock__: 0x7ffeefbff3e8>

此时我们通过__weak不进行强持有，block就还是栈区的block。

ARC环境下，访问外部变量的block为什么要自动从栈区拷贝到堆区呢？
因为：栈上的block，如果其所属的变量作用域结束，该block就会被废弃，如同一般的自动变量。当然，block中的__block变量也同时会被废弃。
image.png
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的进行判断是否有必要将block从栈复制到堆，如果有，自动生成将block从栈复制到堆的代码。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。
image.png
eg:

typedef int(^myblock)(int);

myblock func(int a) {
    return ^(int b) {
        return a * b;
    };
}

上面的代码中，函数返回的block是配置在栈上的，所以返回返回函数调用方法时，block变量作用域就被释放了，block也会被释放。但是，在ARC环境下是有效的，这种情况编译器会自动完成复制。

在非ARC情况下则需要开发者调用Copy方法手动复制。

将block从栈区复制到堆区非常想好CPU，所以当block设置在栈上也能使用时，就不要复制了，因为此时的复制只是在浪费CPU资源。
block的复制操作，执行的是Copy实例方法。不同类型的block使用的Copy方法的效果如下：

block的类型	副本源的配置存储区域	复制效果
_NSConcreteGlobalBlock	程序的数据区域	什么也不做
_NSConcreteStackBlock	栈区	从栈区复制到堆区
_NSConcreteMallocBlock	堆区	引用计数增加

根据表格我们知道，block在堆区Copy会造成引用计数增加，这与其它OC对象是一样的。虽然block在栈中也是以对象的身份存在，但是栈区没有引用计数，因为不需要，我们都知道栈区的内存由编译器自动分配释放。

三、block 底层分析

int a = 10;
void(^ block)(void) = ^{
    NSLog(@"%d", a);
};
NSLog(@"%@", block);

使用 clang将OC代码转换成C++文件，查看block的方法。

在命令行输入下面的指令(XXX.m就是要编译的文件，需在当前文件夹下面执行)

clang -rewrite-objc XXX.m

执行网上面的指令之后，当前文件夹中会多一个XXX.cpp的文件。此时在命令行输入open XXX.cpp 或者直接打开文件
打开XXX.cpp文件，在文件底部我们可以看到main函数被编译之后的样式：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        int a = 10;
        void(* block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_w__pbdfr2t16xx3pkwg63c2y5m80000gn_T_main_c75271_mi_1, block);
    }
    return 0;
}

我们从main函数中提取一下block

void(* block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));

/*简化一下，去除强制转换*/
void(* block)(void) = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a); ///构造函数

可以看到构造函数名为__main_block_impl_0
下面我们再寻找一下__main_block_impl_0：

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

可以看到__main_block_impl_0是一个结构体。同时我们也可以说block是一个__main_block_impl_0类型的对象，这也是为什么block能够%@打印的原因

1、block自动捕获外部变量

block自动捕获的外部变量，在block的函数体内是不允许被修改的。
① 通过上面的代码我们可以看到__main_block_impl_0函数的定义：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a; ///编译器自动生成的名字相同的变量
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
    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 值拷贝 

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_w__pbdfr2t16xx3pkwg63c2y5m80000gn_T_main_ab7cb4_mi_0, a);
        }

可以看到，编译器会自动生成一个同名的变量。
__main_block_func_0中a是值拷贝。
因此，在block内存会生成一个，内容一样的同名变量，此时如果在函数体内进行a++的操作，则编译器就不清楚该去修改哪个变量。所以block自动捕获的变量，在函数体内部是不允许修改的。

那么我们要修改外部变量要怎么办呢？
1、__block修饰外部变量。
2、将变量定义成全局变量
3、将变量用参数的形式，传入block里面。
第2种和第3种方式，想必大家都非常的熟悉，在这里就不再赘述。下面我们来看一下第1种方式，底层究竟做了些什么。

__block 原理

现在我们对a进行__block编译，之后我们就可以在block内部对a进行修改。

__block int a = 10;
        void(^ block)(void) = ^{
            a++;
            NSLog(@"%d", a);
        };
        block();

下面我们再通过clang来观察一下，底层代码有了什么变化。

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

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_a_0 *a; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, int flags=0) : a(_a->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref 指针拷贝
            /// 等同于外界的 a++
            (a->__forwarding->a)++;
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_w__pbdfr2t16xx3pkwg63c2y5m80000gn_T_main_b21337_mi_0, (a->__forwarding->a));
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

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; 
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};
        void(* block)(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 *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}
static struct IMAGE_INFO { unsigned version; unsigned flag; } _OBJC_IMAGE_INFO = { 0, 2 };

首先我们看到，在main函数里面，此时a变成了成了一个__Block_byref_a_0类型的对象。
同时在__main_block_func_0函数中，由之前的值拷贝(bound by copy) 变成了现在的指针拷贝(bound by ref)
*在main函数中传入的a是一个对象，同时在__main_block_func_0函数内部，对a进行指针拷贝；则此时创建的对象a和传入的对象a 指向同一片内存空间。

总结：__block修饰外界变量的时候：
1、外界变量会生成__Block_byref_a_0结构体
2、结构体用来保存原始变量的指针和值（可以在上面编译后的代码中找到）
3、将变量生成的结构体对象的指针地址传递给block,然后在block内部就可以对外界变量进行修改了。

接下来，在给大家看一个东西：

在上面的C++代码中，__main_block_func_0函数中，大家会注意到执行a++的是这段代码(a->__forwarding->a)++;，那么这个__forwarding又是什么呢？
接下来我们先看一下__Block_byref_a_0结构体长什么样子：

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

可以看到，__forwarding是一个指向自己本身的指针(自身为结构体)。
那么，在Copy操作之后，既然__block变量也被Copy到堆区上了，那么访问该变量是访问栈上的还是堆上的呢？这个时候我们就要来看一下，在Copy过程中__forwarding的变化了：

image.png
可以看到，通过__forwarding，无论是在block中，还是block外访问__block变量，也不管该变量是在栈上或是在堆上，都能顺利的访问同一个__block变量。
注意：这里与上面的结论并不矛盾。大家要主要到局部变量a被__block修饰之后，会变成__Block_byref_a_0结构体对象。所以无论是在栈区还是在堆区，只要__forwarding指向的地址一样，那么就可以在block内部修改外界变量。这里大家要仔细观察一下__Block_byref_a_0结构体

例题：

int a = 10;
int *p = &a;
NSLog(@"开始 a == %d,  s == %p", a, &a);
NSLog(@"开始 p == %d,  s == %p", *p, p);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
     (*p) = 100;
     NSLog(@"异步 a == %d,  s == %p", a, &a);
     NSLog(@"异步 p == %d,  s == %p", *p, p);
});

///打印结果
开始 a == 10,  s == 0x7ffeebb2a0ac
开始 p == 10,  s == 0x7ffeebb2a0ac
异步 a == 10,  s == 0x600003a26c68
异步 p == 0,  s == 0x7ffeebb2a0ac

image

这里有一点要注意
我们上面用的是异步，所以最后的*p打印的不是100，而是0。
这就是因为异步，不用等待，viewDidLoad直接执行完毕，*p对应的内存空间被释放。
如果在dispatch_async后面写上其他的一些函数，输出的*p可能是任意值：
image.png

当然这也是一个释放时机的问题，如果有很多业务要处理，可能打印*p的时候，对应的内存地址还没有释放。

a的最后输出值是10这里就不多说，block捕获局部变量的拷贝上面有讲。

Block 底层原理（一）

一、block 定义

block表达式语法

二、block的分类

三、block 底层分析

1、block自动捕获外部变量

__block 原理

例题：

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