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通过__block的作用深入研究block

通过__block的作用深入研究block

作者: Masazumi柒 | 来源:发表于2017-08-10 15:01 被阅读680次
    这回面的都是“自称”三年经验的开发(比我还多一年呢),开始面了几个感觉不对,就直接让同事把简历也交给我筛选。
    然后,在面一个三年经验的,基本问“怎么用”的类型的问题都是OK的,深入一些就答不上来了。
    比如其中问他,"block能否改变外部变量的值?" “__block”"为什么__block就可以了"" ....... "“__block是不是做了什么操作?拷贝还是什么的?”"对,__block做了引用操作。""block内不是不行引用外部变量么?""......"
    好吧,其实我自己也被绕进去了,所以面试完之后,我自己也花了点时间查了些资料做了些总结。
    

    以上是深入研究的契机,平时只知道巴拉巴拉地做需求,很机械很僵,这样也挺好的,很可以。

    block普通引用

    默认情况下,在block中访问外部变量是通过复制一个变量来操作的,既可以读,但是写操作不对原变量生效,下面通过代码来举证

    NSString *a = @"testa";
        NSLog(@"block前,a在堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
        void(^testBlock)(void) = ^(void){
            NSLog(@"block内,a在堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
        };
        NSLog(@"block后,a在堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
        testBlock();
    

    其结果是

    block中引用外部变量地址打印结果截图
    可以看出变量在堆中的地址其实是一直不变的,在栈中的地址,在block外是不变的,block内重新开辟了一个空间来存放。
    那么来计算下两个地址变化
    block前,a指向堆中的地址0x1000ec0b0,a在栈中的地址0x16fd19f58
    block后,a指向堆中的地址0x1000ec0b0,a在栈中的地址0x16fd19f58
    block内,a指向堆中的地址0x1000ec0b0,a在栈中的地址0x17404e0c0
    十六进制的0x16fd19f58、0x17404e0c0转换为十进制数为,6170976088、6241444032。两者相差5546832956字节,再转换为MB为5289.8mb。已知IOS中一个进程的栈区内存只有1M,Mac也只有8M(等有空找官方文档求证下),又因为堆地址要小于栈地址,所以在block内调用变量,在不使用__block的情况下,是在堆中新建了一个变量地址指向原变量,block作用域结束则销毁,不影响原变量。

    我们都知道:Block不允许修改外部变量的值,这里所说的外部变量的值,指的是栈中指针的内存地址。在block内调用变量,在不使用__block的情况下,是在堆中新建了一个变量地址指向原变量,block作用域结束则销毁,不影响原变量。

    __block关键字

    由前所知,通过__block修饰,block内部不仅仅可以对外部变量进行读操作,也可以进行写操作了,那这是为什么呢?同样用代码研究两者区别

        __block NSString *a = @"testa";
        NSLog(@"block前,a指向堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
        void(^testBlock)(void) = ^(void){
            NSLog(@"block内,a指向堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
        };
        testBlock();
        NSLog(@"block后,a指向堆中的地址%p,a在栈中的地址%p",a,&a);
    

    去掉时间戳后,打印的结果是

    block前,a指向堆中的地址0x10007c0d0,a在栈中的地址0x16fd89f58
    block内,a指向堆中的地址0x10007c0d0,a在栈中的地址0x1740533a8
    block后,a指向堆中的地址0x10007c0d0,a在栈中的地址0x1740533a8
    
    __block代码及结果

    根据内存地址变化可见,__block所起到的作用就是只要观察到该变量被 block 所持有,就将“外部变量”在栈中的内存地址放到了堆中。进而在block内部也可以修改外部变量的值。原先地址是否直接抛弃不用再继续研究

    Block不允许修改外部变量的值,Apple这样设计,应该是考虑到了block的特殊性,block也属于“函数”的范畴,变量进入block,实际就是已经改变了作用域。在几个作用域之间进行切换时,如果不加上这样的限制,变量的可维护性将大大降低。又比如我想在block内声明了一个与外部同名的变量,此时是允许呢还是不允许呢?只有加上了这样的限制,这样的情景才能实现。

    编译器做了什么?

    一般使用的话,到这个程度已经足够了。我们已经知道了加上__block关键字之后,编译器通过将外部变量同block一起copy到了堆区,并且将“外部变量”在栈中的内存地址改为了堆中的新地址。
    如果多问一个为什么?编译器是怎么做到这样的呢?我们通过clang将 OC 代码转换为 C++ 文件:

    clang -rewrite-objc 源代码文件名
    

    转译的时候遇到了几个问题:

    #import <UIKit/UIKit.h>
    **        ^**
    1 error generated.
    

    通过Objective-C编译成C++代码报错文中的方式可以转译,但是又出现了新的问题;
    2.clang: warning: using sysroot for 'iPhoneSimulator' but targeting 'MacOSX'
    这个问题没能解决,然后换了个思路转译,
    新代码如下

    //坑爹的是NSLog都不能使用,不然会报NSLog错误。说白了还是工具不熟悉,为什么会出现这个情况都不清楚。有机会再看吧
    int main() {
            int  a = 1;
            void(^testBlock)(void) = ^(void){
                
            };
            testBlock();
        
            __block int b = 2;
            void(^testBlockb)(void) = ^(void){
                b = 3;
            };
            testBlockb();
            return 0;
    }
    

    转译后代码如下

    int main() {
            int a = 1;
    
            void(*testBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
            ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);
    
    
    
    
    
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_b_0 b = {(void*)0,(__Block_byref_b_0 *)&b, 0, sizeof(__Block_byref_b_0), 2};
    
            void(*testBlockb)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_1((void *)__main_block_func_1, &__main_block_desc_1_DATA, (__Block_byref_b_0 *)&b, 570425344));
            ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlockb)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlockb);
    
            return 0;
    }
    

    代码变的很长很长,我们的目的是研究__block加上去之后编译器的操作,精简下就是

    //加__block前的声明变量是这样的
    int a = 1;
    //加__block后的声明变量是这样的
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_b_0 b = {
      (void*)0,
      (__Block_byref_b_0 *)&b, 
      0,
       sizeof(__Block_byref_b_0), 
      2};
    

    可以看到增加了__block修饰之后,编译器做了不少工作,修饰词中有__Block_byref_b_0重复出现,这是一个与block一样的结构体类型的自动变量实例!!!!
    此时我们在block内部访问val变量则需要通过一个叫__forwarding的成员变量来间接访问val变量。
    讲__forwarding之前,需要先讨论一下block的存储域及copy操作。

    1.Block的存储域及copy操作

    前面提到,block内部的作用域是在堆上的,并且调用变量时会将变量copy到堆上,那么block本身是存储在堆上还是栈上呢?
    我们先来看看一个由C/C++/OBJC编译的程序占用内存分布的结构:

    从大神文章中借来的memory_structure图

    实际上,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:


      三种block各自的存储域

      简而言之,存储在栈中的Block就是栈块、存储在堆中的就是堆块、既不在栈中也不在堆中的块就是全局块。(这听起来似乎与文章上半部分的说明有冲突呢?其实并不然)

    那么,我们如何判断这个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。(_NSConcreteGlobalBlock)
    (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。

    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:

    栈上的block的生命周期

    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。
    如下图:

    block的copy操作原理

    在非ARC情况下则需要开发者调用copy方法手动复制,由于开发中几乎都是ARC模式,所以手动复制内容不再过多研究。
    将Block从栈上复制到堆上相当消耗CPU,所以当Block设置在栈上也能够使用时,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copy方法的效果如下表:



    根据表得知,Block在堆中copy会造成引用计数增加,这与其他Objective-C对象是一样的。虽然Block在栈中也是以对象的身份存在,但是栈块没有引用计数,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。
    不管Block存储域在何处,用copy方法复制都不会引起任何问题。在不确定时调用copy方法即可。

    在ARC有效时,多次调用copy方法完全没有问题:

    blk = [[[[blk copy] copy] copy] copy];
    // 经过多次复制,变量blk仍然持有Block的强引用,该Block不会被废弃。
    
    2.__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。
    值得注意的是,在ARC下,使用 __block 也有可能带来的循环引用,

    本文非原创,仅用来学习总结记录用,参考文章:
    1.iOS中__block 关键字的底层实现原理
    2.iOS Block详解
    3.Objective-C中的Block

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