通过__block的作用深入研究block

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