Block原理

作者: NeroXie | 来源:发表于2018-08-16 16:22 被阅读47次

Block的实质

我们先写一个最基础的Block

int main(int argc, const char * argv[]) {
    void (^testBlock)(void) = ^{
        printf("asddasd");
    };
    testBlock();
    
    return 0;
}

接着我们使用clang将这段代码翻译，在文件目录下使用clang -rewrite-objc 文件名，会生成一个cpp的文件，里面都是C++代码。其中有关键代码如下：

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

    return 0;
}

可以看到我们定义的testBlock变成了((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))。在执行Block的时候将testBlock()变成了((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);

我们先看一下Block声明的部分。

__main_block_impl_0

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;//用于初始化__block_impl结构体的isa成员
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

可以看出__main_block_impl_0是一个结构体，它有两个成员变量分别是__block_impl impl和__main_block_desc_0* Desc，还有一个__main_block_impl_0的构造函数。((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))这句代码其实就是通过__main_block_impl_0的构造函数生成一个__main_block_impl_0的结构体，它传了两个参数__main_block_func_0和&__main_block_desc_0_DATA。

__block_impl

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

通过这个结构体的定义，我们可以知道Block也是有isa指针的，isa的初始值是_NSConcreteStackBlock，关于_NSConcreteStackBlock就相当于class_t中的结构体。在Block作为OC对象处理的时候，关于该类的信息就放在_NSConcreteStackBlock中。这就意味着Block就是Objective-C的对象。

__main_block_desc_0

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)};

这个结构体中包含了Block的大小以及版本升级所需要的区域。

接着我们看一下Block执行部分。上面提到在构造结构体的时候，我们分别传了两个参数__main_block_func_0和&__main_block_desc_0_DATA。

__main_block_func_0

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("asddasd");
}

可以看出，我们在Block里写的代码就在__main_block_func_0中，((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);这句代码其实就是一个简单的指针调用，调用了FuncPtr，它指向的地址就是__main_block_func_0的地址。Block的调用本质其实就是函数指针的调用。

截获变量

截获自动变量值

根据《Objective-C高级编程》一书中提到，所谓的“截获自动变量值”意味着在执行Block语法时，Block语法表达式所使用的自动变量被保存到Block的结构体实例（即Block自身中）。

先写一段OC的代码：

#include <stdio.h>

static int globalStaticValue = 1;

int globalValue = 2;

int main(int argc, char * argv[]) {
    int a = 3;
    static int b = 4;
    void (^testBlock)(void) = ^{
        printf("%d", globalStaticValue);
        printf("%d", globalValue);
        printf("%d", a);
        printf("%d", b);
    };
    testBlock();
    
    return 0;
}

上面代码分别声明了一个静态全局变量、全局变量、局部变量、静态局部变量。我们将代码转换成C++代码后，看一下它的mian函数和__main_block_impl_0结构体。

int main(int argc, char * argv[]) {
    int a = 3;
    static int b = 4;
    void (*testBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);

    return 0;
}

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

可以看出Block语法中使用的自动变量被作为成员变量追加到了__main_block_impl_0结构体中：

int a; 基本数据类型，直接截获值。
*int b; 局部静态变量，截获其指针。

那么全局变量和全局静态变量呢？

static int globalStaticValue = 1;

int globalValue = 2;

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int a = __cself->a; // bound by copy
    int *b = __cself->b; // bound by copy

    printf("%d", globalStaticValue);
    printf("%d", globalValue);
    printf("%d", a);
    printf("%d", (*b));
}

从__main_block_func_0可以看到，全局变量和全局静态变量并不会被截获，而是直接使用。

截获对象

Block是如何截获对象型的变量的？还是先给出一段示例代码。

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
    void (^testBlock)(void) = ^{
        NSLog(@"%@", objc);
    };
    testBlock();
    
    return 0;
}

通过clang -rewrite-objc -fobjc-arc 文件名转成C++文件，对应的C++代码：

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

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  NSObject *__strong objc = __cself->objc; // bound by copy
  NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_pl_6qlbyntd0zngprtxq_hwdshc0000gn_T_main_b61654_mi_0, objc);
}

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->objc, (void*)src->objc, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->objc, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

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, char * argv[]) {
    NSObject *objc = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
    void (*testBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, objc, 570425344));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);

    return 0;
}

在__main_block_impl_0的结构体有NSObject *__strong objc;，所以Block在截获对象的时候，会将对象及其所有权修饰符一并截获。

这里我们需要注意两个函数，一个是__main_block_copy_0函数，因为含有__strong修饰符的对象类型变量objc,所以需要恰当管理赋值给objc的对象。__main_block_copy_0函数使用_Block_object_assign函数将对象类型对象赋值给Block结构体中的成员变量objc并持有该对象，这就相当于retain实例方法。
另外一个函数是__main_block_dispose_0，它使用_Block_object_dispose释放掉结构体成员变量objc中的对象，相当于release方法。

__block修饰符

当我们需要对被Block截获的局部变量进行赋值操作的话，需要添加一个__block这个说明符，那__block到底有什么作用呢？
先看一段代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char * argv[]) {
    __block int a = 3;
    void (^testBlock)(void) = ^{
        a = 100;
        printf("%d", a);
    };
    testBlock();
    
    return 0;
}

由于使用了__block关键字，可以修改变量a的值，所以输出结果是100。
转换成C++代码：

先看一下__main_block_impl_0这个结构体

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;
  }
};

和刚才不一样的是在__main_block_impl_0结构体中多了一个__Block_byref_a_0 *a而不是int a, __Block_byref_a_0 *a也是一个结构体，里面也有一个isa指针，因此我们也可以将它当做一个对象。另外还有一个__Block_byref_a_0 *类型的__forwarding指针和变量a。关于__forwarding指针的作用我们会在后面提到。

接着是主函数：

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, char * argv[]) {
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 3};
    void (*testBlock)(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 *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);

    return 0;
}

在主函数中我们可以看到__block int a = 3;转化成了__Block_byref_a_0的一个结构体，其中__forwarding指针指向这个结构体自己。

最后是Block执行的时候即调用__main_block_func_0函数：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref
  (a->__forwarding->a) = 100;
  printf("%d", (a->__forwarding->a));
}

原来的a = 100;则被转换成__Block_byref_a_0 *a = __cself->a;和(a->__forwarding->a) = 100;。这两句代码的意思是先获取结构体中的a，通过a结构体的__forwarding指针指向成员变量a赋值为100。

我们总结一下__block的作用：__block将我们定义的数据变成另一个对象类型，将截获到的值存在这个对象中，通过对这个变量进行赋值而更改原有的值（如果是__block修饰对象类型的变量也是一样）。

Block内存管理

从上面我们知道了__Block_byref_a_0结构体中已经有变量a, 为什么还需要使用__forwarding指针对a赋值呢或者说__forwarding存在的意义是什么？

通过前面的说明可知，Block转化为Block的结构体类型的自动变量，__block变量转变为__block变量的结构体类型的自动变量。所谓自动变量就是在栈上生成的该结构体的实例。

关于__main_block_impl_0结构体初始化的时候，isa被赋值为&_NSConcreteStackBlock。关于_NSConcreteStackBlock在《Objective-C高级编程》一书中提到：

类	设置对象的存储域
_NSConcreteStackBlock	栈
_NSConcreteGlobalBlock	程序的数据区域
_NSConcreteMallocBlock	堆

先看copy操作对不同类型block的影响：

Block的类	副本源的配置存储域	复制效果
_NSConcreteStackBlock	栈	从栈复制到堆
_NSConcreteGlobalBlock	程序的数据区域	什么也不做
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用计数增加

关于__forwarding的作用《Objective-C高级编程》一书中的第111页、第112页中有很明确的说到：__block变量的结构体成员变量__forwarding可以实现无论__block变量配置在栈上还是堆上都能够正确地访问__block变量。

没有进行copy操作的时候：

栈上的block
进行copy操作以后：

block拷贝
这里分为两种情况：

如果我们没有对栈上的Block执⾏copy操作，修改被__block修饰的变量实际上是通过其__forwarding指针指向的自身，对其中的变量进行修改。
如果我们执行过copy操作，那么栈上的Block的__forwarding指针，实际是指向堆上的__block修饰的变量，⽽堆上的__forwarding指针则指向⾃自身的__block修饰的变量。在变量作用域结束的时候，栈上的__block变量和Block被废弃掉，但是堆上的__block变量和Block不受影响。

Block的循环引用

我们在使用Block的时候，如果有一个对象持有了这个Block，而在Block内部又使用了这个对象，就会造成循环引用。如以下写法：

#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void (^TestBlock) (void);

@interface AObject: NSObject {
    TestBlock testBlock;
}

@end

@implementation AObject

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        testBlock = ^{
            NSLog(@"self = %@", self);
        };
    }
    
    return self;
}

- (void)dealloc {
    NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}

@end

int main(int argc, char * argv[]) {
    
    AObject *a = [[AObject alloc] init];
    NSLog(@"%@", a);
    
    return 0;
}

可以看到，上面这段代码发生了循环引用，导致AObject对象无法被释放。通常做法是使用__weak关键字在Block外部声明一个弱引用。重新修改下init方法：

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        __weak AObject *weakSelf = self;
        testBlock = ^{
            NSLog(@"self = %@", weakSelf);
        };
    }
    
    return self;
}

前面在讲述截获自动变量值的时候，我们知道Block在截获对象类型的时候，会连同对象的所有权修饰符一起截获，这里截获的是__weak修饰的weakSelf,因此不会发生循环引用。

在为避免循环引用而使用__weak修饰符的时候，还要注意有可能在Block执行的时候，对象在中途被释放掉了。这个时候需要在Block内部声明一个局部变量强持有对象，这个局部变量会在到Block执行结束时自动释放，不会造成循环引用，而对象也会在Block执行结束后被释放。

是不是所有的Block都需要在外部声明使用__weak修饰呢？答案是否定的。所谓“引用循环”是指双向的强引用，所以那些“单向的强引用”（block强引用self）没有问题。例如：

[UIView animateWithDuration:duration
                 animations:^{
                     [self.superview layoutIfNeeded];
                 }];

但如果你使用一些参数中可能含有ivar的系统的api，如NSNotificationCenter就要小心一点。

 __weak __typeof__(self) weakSelf = self;
 _observer = [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserverForName:@"testKey"
                                                               object:nil
                                                                queue:nil
                                                           usingBlock:^(NSNotification *note) {
    //使用self会循环引用，但是使用weakSelf或者strongSelf则没有问题                                                      
     __typeof__(self) strongSelf = weakSelf;
     [strongSelf dismissModalViewControllerAnimated:YES];
 }];

可以看出self --> _observer --> block --> self这显然是一个循环引用。总而言之，只有当self直接或间接的持有 Block，并且在Block内部又使用了self的时候，才应该使weakSelf。

Sunnyxx的Block面试题

sunnyxx_block

第一题思路

用一个函数指针保存原有的实现，在hookFunc里面调用一下就可以了。代码如下：

typedef struct n__block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
}n__block_impl;

void hookInvokePrintHelloWorld(){
    printf("Hello,world\n");
}

void HookBlockToPrintHelloWorld(id block){
    n__block_impl *tmp = (__bridge n__block_impl *)block;
    tmp->FuncPtr = &hookInvokePrintHelloWorld;
}

#pragma mark - Lifecycle

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    NNVoidBlock block = ^{
        NSLog(@"%s", __func__);
    };
    
    HookBlockToPrintHelloWorld(block);
    
    block();
}

Block原理

Block的实质

截获变量

截获自动变量值

截获对象

__block修饰符

Block内存管理

Block的循环引用

Sunnyxx的Block面试题

第一题思路

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