block底层实现原理

作者: sun_glory | 来源:发表于2020-07-20 17:02 被阅读0次

block的本质

block在开发中的使用频率非常高.

block本质上是一个OC对象，它内部也有isa指针，这个对象封装了函数调用地址以及函数调用环境(函数参数、返回值、捕获的外部变量等)。当我们定义一个block，在编译后它的底层存储结构是怎样的呢,以下面这个简单的block为例

int age = 20;
void (^block)(void) = ^ {
     NSLog(@"age == %d",age);
};

如果想探究它的底层实现的话，可以在命令行运行xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m将这个main.m文件转成编译后的c/c++文件，然后在这个文件搜索__main_block_impl_0就可以找到这个block的结构体。整体结构如下图：

16f8481974bfbfae.png

impl->isa：就是isa指针，可见它就是一个OC对象。
impl->FuncPtr：是一个函数指针，也就是底层将block中要执行的代码封装成了一个函数，然后用这个指针指向那个函数。
Desc->Block_size：block占用的内存大小。
age：捕获的外部变量age，可见block会捕获外部变量并将其存储在block的底层结构体中。

当我们调用block()时，实际上就是通过函数指针FuncPtr找到封装的函数并将block的地址作为参数传给这个函数进行执行，把block传给函数是因为函数执行中需要用到的某些数据是存在block的结构体中的(比如捕获的外部变量)。如果定义的是带参数的block，调用block时是将block地址和block的参数一起传给封装好的函数。

block的变量捕获机制

block外部的变量是可以被block捕获的，这样就可以在block内部使用外部的变量了。不同类型的变量的捕获机制是不一样的。下面我们来看一个示例：

int c = 1000; // 全局变量
static int d = 10000; // 静态全局变量

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

        int a = 10; // 局部变量
        static int b = 100; // 静态局部变量
        void (^block)(void) = ^{
             NSLog(@"a = %d",a);
             NSLog(@"b = %d",b);
             NSLog(@"c = %d",c);
             NSLog(@"d = %d",d);
         };
         a = 20;
         b = 200;
         c = 2000;
         d = 20000;
         block();
    }
    return 0;
}

//*打印结果*
a = 10
b = 200
c = 2000
d = 20000

c文件中的结构体如下：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  int *b;
};

只有2个局部变量被捕获了，而且2个局部变量的捕获方式还不一样。

2.1 全局变量的捕获
不管是普通全局变量还是静态全局变量，block都不会捕获。因为全局变量在哪里都可以访问，所以block内部不捕获也是可以直接访问全局变量的，所以外部更改全局变量的值时，block内部打印的就是最新更改的值。
2.2 静态局部变量的捕获
我们发现定义的静态局部变量b被block捕获后，在block结构体里面是以int *b;的形式来存储的，也就是说block其实是捕获的变量b的地址，block内部是通过b的地址去获取或修改b的值，所以block外部更改b的值会影响block里面获取的b的值，block里面更改b的值也会影响block外面b的值。所以上面会打印b = 200。
2.3 普通局部变量的捕获
普通局部变量就是在一个函数或代码块中定义的类似int a = 10;的变量，它其实是省略了auto关键字，等价于auto int a = 10，所以也叫auto变量。和静态局部变量不同的是，普通局部变量被block捕获后再block底层结构体中是以int a;的形式存储，也就是说block捕获的其实是a的值(也就是10)，并且在block内部重新定义了一个变量来存储这个值，这个时候block外部和里面的a其实是2个不同的变量，所以外面更改a的值不会影响block里面的a。所以打印的结果是a = 10。

为什么普通局部变量要捕获值，跟静态局部变量一样捕获地址不行吗？
是的，不行。因为普通局部变量a在出了大括号后就会被释放掉了，这个时候如果我们在大括号外面调用这个block，block内部通过a的指针去访问a的值就会抛出异常，因为a已经被释放了。而静态局部变量的生命周期是和整个程序的生命周期是一样的，也就是说在整个程序运行过程中都不会释放b，所以不会出现这种情况。
那有人又有疑问了，既然静态局部变量一直都不会被释放，那block为什么还要捕获它，直接拿来用不就可以了吗？这是因为静态局部变量作用域只限制在这个大括号类，出了这个大括号，虽然它还存在，但是外面无法访问它。而前面已经介绍过，block里面的代码在底层是被封装成了一个函数，那这个函数肯定是在b所在的大括号外面，所以这个函数是无法直接访问到b的，所以block必须将其捕获。

block捕获变量小结

全局变量--不会捕获，是直接访问。
静态局部变量--是捕获变量地址。
普通局部变量--是捕获变量的值。

block的3种类型

NSGlobalBlock （ _NSConcreteGlobalBlock ）
NSStackBlock （ _NSConcreteStackBlock ）
NSMallocBlock （ _NSConcreteMallocBlock ）

通过一个简单的代码查看一下block在什么情况下其类型会各不相同

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 1. 内部没有调用外部变量的block
        void (^block1)(void) = ^{  __NSGlobalBlock__
            NSLog(@"Hello");
        };
        // 2. 内部调用外部变量的block
        int a = 10;
        void (^block2)(void) = ^{  __NSStackBlock__
            NSLog(@"Hello - %d",a);
        };
       // 3. 直接调用的block的class 
        NSLog(@"%@ %@ %@", [block1 class], [block2 class], [^{  __NSMallocBlock__
            NSLog(@"%d",a);
        } class]);
    }
    return 0;
}

block是如何定义其类型

在MRC的环境下，可以得到下图：

1637de34b6966052.png

没有访问auto变量的block是NSGlobalBlock类型的，存放在数据段中。
访问了auto变量的block是NSStackBlock类型的，存放在栈中。
NSStackBlock类型的block调用copy成为NSMallocBlock类型并被复制存放在堆中。

block在内存中的存储

通过下面一张图看一下不同block的存放区域

1637de34c0579805.png
上图中可以发现，根据block的类型不同，block存放在不同的区域中。
数据段中的NSGlobalBlock直到程序结束才会被回收，不过我们很少使用到NSGlobalBlock类型的block，因为这样使用block并没有什么意义。
NSStackBlock类型的block存放在栈中，我们知道栈中的内存由系统自动分配和释放，作用域执行完毕之后就会被立即释放，而在相同的作用域中定义block并且调用block似乎也多此一举。
NSMallocBlock是在平时编码过程中最常使用到的。存放在堆中需要我们自己进行内存管理。

各类型block调用copy

1637de351bcee494.png

所以在平时开发过程中MRC环境下经常需要使用copy来保存block，将栈上的block拷贝到堆中，即使栈上的block被销毁，堆上的block也不会被销毁，需要我们自己调用release操作来销毁。而在ARC环境下系统会自动调用copy操作，使block不会被销毁。

ARC环境下的block

在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的block进行一次copy操作，将block复制到堆上。

什么情况下ARC会自动将block进行一次copy操作？以下代码都在ARC环境下执行。

block作为函数返回值时

typedef void (^Block)(void);
Block myblock()
{
    int a = 10;
    // 上文提到过，block中访问了auto变量，此时block类型应为__NSStackBlock__
    Block block = ^{
        NSLog(@"---------%d", a);
    };
    return block;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block = myblock();
        block();
       // 打印block类型为 __NSMallocBlock__
        NSLog(@"%@",[block class]);
    }
    return 0;
}

将block赋值给__strong指针时

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // block内没有访问auto变量
        Block block = ^{
            NSLog(@"block---------");
        };
        NSLog(@"%@",[block class]);
        int a = 10;
        // block内访问了auto变量，但没有赋值给__strong指针
        NSLog(@"%@",[^{
            NSLog(@"block1---------%d", a);
        } class]);
        // block赋值给__strong指针
        Block block2 = ^{
          NSLog(@"block2---------%d", a);
        };
        NSLog(@"%@",[block1 class]);
    }
    return 0;
}

block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时

NSArray *array = @[];
[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id  _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) {
            
}];

block作为GCD API的方法参数时

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
            
});        
dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
            
});

block对对象型的局部变量的捕获

block对对象类型和对基本数据类型变量的捕获是不一样的，对象类型的变量涉及到强引用和弱引用的问题，强引用和弱引用在block底层是怎么处理的呢？
如果block是在栈上，不管捕获的对象时强指针还是弱指针，block内部都不会对这个对象产生强引用。所以我们主要来看下block在堆上的情况。
首先来看下强引用的对象被block捕获后在底层结构体中是如何存储的。

// OC代码
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *person = [[Person alloc] init];
        person.age = 20;

        void (^block)(void) = ^{
            NSLog(@"age--- %ld",person.age);
         };
        block();

    }
    return 0;
}

// 底层结构体
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  Person *__strong person;
};

可以看到和基本数据类型不同的是，person对象被block捕获后，在结构体中多了一个修饰关键字__strong。

我们再来看下弱引用对象被捕获后是什么样的：

// OC代码
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *person = [[Person alloc] init];
        person.age = 20;

        __weak Person *weakPerson = person;
        void (^block)(void) = ^{
            NSLog(@"age--- %ld",weakPerson.age);
         };
        block();

    }
    return 0;
}

// 底层block
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  Person *__weak weakPerson;
};

可见此时block中weakPerson的关键字变成了__weak。
在block中修饰被捕获的对象类型变量的关键字除了__strong、__weak外还有一个__unsafe_unretained。那这结果关键字起什么作用呢？
当block被拷贝到堆上时是调用的copy函数，copy函数内部会调用_Block_object_assign函数，_Block_object_assign函数就会根据这3个关键字来进行操作。

如果关键字是__strong，那block内部就会对这个对象进行一次retain操作，引用计数+1，也就是block会强引用这个对象。也正是这个原因，导致在使用block时很容易造成循环引用。
如果关键字是__weak或__unsafe_unretained，那block对这个对象是弱引用，不会造成循环引用。所以我们通常在block外面定义一个__weak或__unsafe_unretained修饰的弱指针指向对象，然后在block内部使用这个弱指针来解决循环引用的问题。

block从堆上移除时，则会调用block内部的dispose函数，dispose函数内部调用_Block_object_dispose函数会自动释放强引用的变量。

__block修饰符的作用

下面这段代码：

- (void)test{
    int age = 10;
    void (^block)(void) = ^{
        age = 20;
    };
}

编译器会直接报错。
因为age是一个局部变量，它的作用域和生命周期就仅限在是test方法里面，而前面也介绍过了，block底层会将大括号中的代码封装成一个函数，也就相当于现在是要在另外一个函数中访问test方法中的局部变量，这样肯定是不行的，所以会报错。
如果我想在block里面更改age的值要怎么做呢？我们可以将age定义成静态局部变量static int age = 10;。虽然静态局部变量的作用域也是在test方法里面，但是它的生命周期是和程序一样的，而且block捕获静态局部变量实际是捕获的age的地址，所以block里面也是通过age的地址去更改age的值，所以是没有问题的。
但我们并不推荐这样做，因为静态局部变量在程序运行过程中是不会被释放的，所以还是要尽量少用。那还有什么别的方法来实现这个需求呢？这就是我们要讲的__block关键字。

- (void)test1{
    __block int age = 10;
    void (^block)(void) = ^{
        age = 20;
    };
    block();
    NSLog(@"%d",age);
}

当我们用__block关键字修饰后，底层到底做了什么让我们能在block里面访问age呢？下面我们来看下上面代码转成c++代码后block的存储结构是什么样的。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
};

struct __Block_byref_age_0 {
  void *__isa; // isa指针
__Block_byref_age_0 *__forwarding; // 如果这block是在堆上那么这个指针就是指向它自己，如果这个block是在栈上，那这个指针是指向它拷贝到堆上后的那个block
 int __flags;
 int __size; // 结构体大小
 int age; // 真正捕获到的age
};

我们可以看到，age用__block修饰后，在block的结构体中变成了__Block_byref_age_0 *age;，而__Block_byref_age_0是个结构体，里面有个成员int age;，这个才是真正捕获到的外部变量age，实际上外部的age的地址也是指向这里的，所以不管是外面还是block里面,修改age时其实都是通过地址找到这里来修改的。

所以age用__block修饰后它就不再是一个test1方法内部的局部变量了，而是被包装成了一个对象，age就被存储在这个对象中。之所以说是包装成一个对象，是因为__Block_byref_age_0这个结构体的第一个成员就是isa指针。

__block修饰变量的内存管理

__block不管是修饰基础数据类型还是修饰对象数据类型，底层都是将它包装成一个对象，然后block结构体中有个指针指向这个对象。既然是一个对象，那block内部如何对它进行内存管理呢？

当block在栈上时，block内部并不会对这个对象产生强引用。
当block调用copy函数从栈拷贝到堆中时，它同时会将这个对象也拷贝到堆上，并对这个对象产生强引用。
当block从堆中移除时，会调用block内部的dispose函数，dispose函数内部又会调用_Block_object_dispose函数来释放这个对象。

block底层实现原理

block的本质

block的变量捕获机制

block的3种类型

block是如何定义其类型

block在内存中的存储

各类型block调用copy

ARC环境下的block

block对对象型的局部变量的捕获

__block修饰符的作用

__block修饰变量的内存管理

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