Block原理解析

作者: Gekkko | 来源:发表于2016-12-12 20:31 被阅读0次

Block是什么？

Block实际上是Objective-C对闭包的实现。

关于闭包的概念：
In programming languages, a closure is a function or reference to a function together with a referencing environment—a table storing a reference to each of the non-local variables (also called free variables or upvalues) of that function.
闭包是包含了非本地变量（也叫作自由变量或upvalues）的函数或函数的引用，这些变量不是在这个代码块内或者任何全局上下文中定义的，而是在定义代码块的环境中定义（局部变量）。

正文

文章的结构，将分为三个部分，具体如下：

一.阅读C++中的Block源码
    1.最简单的Block
    2.截取自由变量的Block
    3.使用__block的Block
二.3种Block对象类型
    1._NSConcreteGlobalBlock
    2._NSConcreteStackBloc    
    3._NSConcreteMallocBlock
三.循环引用ARC

一.阅读C++中的Block源码

Block实际上是作为极普通的C语言源代码来处理的，通过支持Block的编译器，含有Block语法的源代码转换为一般C语言编译器能够处理的源代码，并作为极为普通的C语言源代码被编译。我们可以在终端通过clang（LLVM编译器）将Objective-C的代码转换为C++源代码，具体指令为：clang -rewrite-objc 源代码文件名，即可在文件目录下生成相应的同名cpp文件。

1.最简单的Block

这是一个最简单的block，没有任何外部变量，只在block块中执行一条printf语句。我们通过clang将main.m转换为main.cpp。通过sublime text打开cpp文件，会看到将近10万行的代码，直接滑动到文件最下方，找到我们需要的学习的代码，如下图所示：

在main函数中可以看到两行关于block的代码，第一行是声明、初始化blk变量，第二行则是调用block方法。blk变量被指向了一个叫做__main_block_impl_0的结构体，结构体的构造方法中要传入两个参数，一个是void *fp，表示函数指针，另一个是__main_block_desc_0，存储了block的描述信息。函数指针指向的是__main_block_func_0，这是一个static函数，函数中只有一行代码，就是我们要执行的printf语句。可以看到__main_block_func_0函数有一个传参struct __main_block_impl_0 *__cself，表示block本身，用途类似于OC消息机制要传入self，由于blk没有引用外部变量，所以在当前的函数中没有使用到__cself。__main_block_desc_0有一个静态的结构体实例__main_block_desc_0_DATA，在初始化blk变量的时候传入的就是这个实例，在该结构体中有保留值reserved，以及block的大小Block_size。
__main_block_impl_0中包含了一个通用struct，__block_impl。所有的block都会包含这个结构体，变量FuncPtr就是函数指针，可以看到该结构体包含了isa指针，表明Block本质上也是个OC对象。图中isa赋值的_NSConcreteStackBlock就是其中一种Block类。

关于Block的结构，有如上一个导图。该结构和clang分析出来的本质是一样的，只是变量名和结构体嵌套略微不同。invoke就是函数指针，由于我们没有使用外部变量，所以不存在variables和descriptor中的copy、dispose。

1.isa指针，所有对象都有该指针，用于实现对象相关的功能。

2.flags，用于按bit位表示一些block的附加信息，block copy的实现代码可以看到对该变量的使用。

3.reserved，保留变量。

4.invoke，函数指针，指向具体的Block实现的函数调用地址。

5.descriptor，表示该Block的附加描述信息，主要是size大小，以及copy和dispose函数的指针。

6.variables，截取过来的变量，Block能够访问它外部的局部变量，就是因为将这些变量（或变量的地址）复制到了结构体中。

额外的说下，虽然结构体的嵌套有差别，但本质是一样的，结构体本身并不带有任何额外信息，下图中TestA和TestB在内存上是完全一样的：

另外再说下clang得到的cpp中关于block的调用方式：
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
这里有一个有意思的强制转换，就是将指向__main_block_impl_0的blk强转成子结构体__block_impl，然后直接调用__block_impl的FuncPtr（函数指针）。可以这样强转的原因在于__block_impl位于__main_block_impl_0的最顶部。举个例子，如下图所示：

上图两次输出的数字分别是2和1。第二次强转所获得的valueB所存储的值，实际上是TestB中的变量a，因为它是TestB最顶部的int值。结构体的本质是，我们和C语言约定了一段内存空间的长短，及其内容的安排，它和int等类型一样，都是数据类型，其他类型怎么转换，结构体就怎么转换。当把TestB强转成ValueB后，会按照ValueB的格局对该内存空间进行解释，而这段内存的第一段长度等于int类型的空间存储的是TestB的a的值，即为1。

2.截取自由变量的Block

我们这次在Block外部定义一个局部变量test_value，在Block的代码块中输出该变量。同样使用clang获取cpp文件如下：

可以看到在__main_block_impl_0结构体中多了一个叫做test_value的int值。在__main_block_func_0中，首先通过__cself->test_value获取int值，然后再进行printf输出。注意到此处的test_value是属于Block中的一块内存空间，和Block外部的test_value没有了关联。
所谓的截取自动变量值，意味着在执行Block初始化语句时，将Block所使用的自动变量值保存到Block的结构体实例中，在Block内部修改该变量值并不能影响原先的变量。
如果在Block块中对test_value执行赋值语句，并不能改变Block外部的test_value变量，实际上，编译器会进行报错。

3.使用__block的Block

对Block外部变量添加__block修饰符就可以在Block块中对变量进行修改，我们通过clang看下它的实现原理。

这回代码多了很多东西，可以看到__main_block_impl_0中的test_value变成了一个指向__Block_byref_test_value_0的指针。在main函数中，初始化test_value并不是简单的新建一个int型变量，而是构造了一个__Block_byref_test_value_0的结构体。test_value变成了一个对象，在它的结构体中，属性test_value用来存储原先的int值，__forwarding指针指向了初始化的结构体本身，即使该结构体被拷贝到Block中，__forwarding指针仍然指向最初的那个结构体，所以使用该变量的方式是test_value->__forwarding->test_value。

二.3种Block对象类型

由于Block也是Objective-C对象，所以它有相应的类。目前有三种Block类：

NSConcreteGlobalBlock，全局的静态Block，不会访问任何外部变量。

NSConcreteStackBlock，保存在栈中的Block，当函数返回时会被销毁。

NSConcreteMallocBlock，保存在堆中的Block，当引用计数为0时会被销毁。

1.NSConcreteGlobalBlock

这种情况的block是一个global类型，在通过NSLog输出为global类型，并且在clang的cpp文件中能看到impl的isa赋值成为了_NSConcreteGlobalBlock。

这种情况下的block仍然是global类型，通过NSLog输出的仍然是NSGlobalBlock。但是在clang转换的cpp中，由于clang改写的具体实现方式和LLVM不太一样，并且这里没有开启ARC，我们看到的isa指向的是stack类型。在开启ARC时，block应该是global类型。

因为不需要对自动变量进行capture截获，所以Block用结构体实例的内容不依赖于执行时的状态，因此整个程序只需要一个实例。这样就可以将Block的结构体实例放在和全局变量相同的数据区域。

判断是否为global类型的Block可以依据以下条件：

1.记述全局变量的地方有Block语法时

2.Block语法的表达式中不使用应截获的自动变量时

2.NSConcreteStackBlock

在MRC中调用了外部变量的Block就会是一个stack类型，在NSLog中可以看到。注意在ARC中已经不存在stack类型的Block了。

3.NSConcreteMallocBlock

当Block从栈上复制到堆上时，isa就会被修改为malloc类型。Block执行copy方法就会进行栈到堆的拷贝，若已经是malloc类的Block，则会对Block的引用计数+1，若是global类型执行copy则不起任何作用。

上图为MRC环境下，将stack类型的block进行拷贝得到的对象就是malloc类型。

再次使用clang获取cpp代码，可以注意到，descriptor中有copy和dispose方法，就是在Block进行copy时对__block对象也进行引用计数操作。
栈上的__block变量会被复制到堆上，这时会将成员变量__forwarding的值替换成复制堆上的__block变量的地址

什么时候会将栈上的Block复制到堆？

在以前版本的ARC中：</br>
1.调用Block的copy实例方法时</br>
2.Block作为函数返回值返回时</br>
3.将Block赋值给附有__strong修饰符id类型的类或Block类型成员变量时</br>
4.在方法中含有usingBlock的Cocoa框架方法或GCD的API中传递Block时

现在，在ARC开启的情况下，将会只有NSConcreteGlobal和NSConcreteMallocBlock类型的block。由于ARC已经能很好的处理对象的声明周期的管理，这样所有对象都放到堆上管理，对于编译器实现来说，会比较方便。