来聊聊Block(一)

作为iOS-Advanced第一篇，我们来聊聊Block，这是一个Objective-C语言里开发者非常喜欢的语法，从这里讲起，而不是直接从Swift某个话题开始或者从某个比较复杂的技术框架说起，是因为作为一个iOS进阶的开发者，在现阶段，必然是各方面技术水平均衡发展、深入理解的一个阶段，很多人投入Swift、很多人投入混合开发、很多人投入前端也有很多人投入后端，其实无论做哪一块，这一阶段都不仅仅是只了解术，而是要了解道的问题，比方说我们把Block在Objective-C中的本质和核心问题讨论清楚，再联想起Swift的闭包，再举一反三去推广到其他语言中的lambda表达式、匿名函数等概念，那么我们仅仅通过扎实Objective-C的知识，就能举一反三提高对Swift、其他编程语言或其他技术的理解能力，也提升了技术视野和学习能力，这是我们追逐的目标。此时，还要把注意力和精力从以往的具体而微的地方转移。

Block的历史

Block出现在OS X v10.6 和 iOS 4.0 以后，并且在GCC与Clang中都实现了，作为一种块级语法补充，Block在C、C++、Objective-C中都能够良好的使用，该语法是编译器实现的，顺带提一下苹果的编译器从最早的GCC到后来的LLVM-GCC再到后来的LLVM Compiler(Clang与LLVM)，是一段发展比较痛苦的历史，为什么说Block是GCC与Clang实现的呢？我们都知道编译器的大概工作原理是将代码文件进行编译、链接打包成二进制可执行程序，而现代化的编译器则分工更加精细，甚至编译工具都早早进行了模块化，GCC与Clang都是和LLVM配合使用的，两者的关系就像前后台的关系，GCC与Clang这种前端编译器负责预处理 (Preprocess)，语法 (lex)，解析 (parse)，语义分析 (Semantic Analysis)，抽象语法树生成 (Abstract Syntax Tree)等等，LLVM是 Low Level Virtual Machine 的简称，这个库提供了与编译器相关的支持，能够进行程序语言的编译期优化、链接优化、在线编译优化、代码生成。简而言之，可以作为多种语言编译器的后台来使用。也就说Clang和GCC将Objective-C的源码通过内置的语法分析器编译成LLVM所需要的结果再生成汇编最后产生可执行的二进制文件，那么也就是说Block的语法支持，是给GCC与Clang进行扩展升级，支持代码块这种语法就可以了。

Block究竟是什么？

上面为Block的使用图解，来自官方文档 Blocks Programming，我们经常使用的Block究竟是什么呢？对于编程语言来讲，语法元素其实不太轻易扩充，那Block具有能够执行的能力，封装了一段代码逻辑，那它本质是什么呢？函数？方法？对象？一种特殊数据类型？Objective-C是对C的扩展，根据Runtime的认识，我们知道，Objective-C中的对象是结构体， 方法是对象的结构体里面引用的函数指针的成员变量，那block究竟是什么东西呢？
编写一个类代码如下：

-(void)whatisblock{
    void(^block)(void);
    block = ^(){
        NSLog(@"test block");
    };
}

然后再命令行里使用clang进行rewrite:

clang -rewrite-objc TestBlock.m

生成了cpp文件，打开以后我们查看一下whatisblock在哪:

static __NSConstantStringImpl __NSConstantStringImpl__var_folders_rk_qz09dkwd485dfckp9sxb63ph0000gn_T_TestBlock_4778c6_mi_0 __attribute__ ((section ("__DATA, __cfstring"))) = {__CFConstantStringClassReference,0x000007c8,"test block",10};

struct __TestBlock__whatisblock_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __TestBlock__whatisblock_block_desc_0* Desc;
  __TestBlock__whatisblock_block_impl_0(void *fp, struct __TestBlock__whatisblock_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;//isa指针
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

static void __TestBlock__whatisblock_block_func_0(struct __TestBlock__whatisblock_block_impl_0 *__cself) {

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_rk_qz09dkwd485dfckp9sxb63ph0000gn_T_TestBlock_4778c6_mi_0);
    }

static void _I_TestBlock_whatisblock(TestBlock * self, SEL _cmd) {
    void(*block)(void);
//block是一个指向void()(void)类型函数的函数指针，赋值语句通过&取地址符强转为函数指针，__TestBlock__whatisblock_block_impl_0是一个函数，查找定义如上
    block = ((void (*)())&__TestBlock__whatisblock_block_impl_0((void *)__TestBlock__whatisblock_block_func_0, &__TestBlock__whatisblock_block_desc_0_DATA));
}

首先我们找到whatisblock的内容:
static void _I_TestBlock_whatisblock(TestBlock * self, SEL _cmd)该函数是whatisblock方法的实现，里面有一个block变量，正是在源码方法里的block变量，其类型本质上一个结构体，是通过__TestBlock__whatisblock_block_impl_0初始化函数创建的，里该结构体的成员属性中有struct __block_impl impl这样一个成员变量，而impl则有isa指针，大家都是isa指针是什么，那么我们有理由相信， _{block是个对象} 。相关的__TestBlock__whatisblock_block_func_0是什么？查看一下定义，正是block花括号里面的逻辑实现，函数指针传递给block结构体当中的impl.FuncPtr = fp;。
以上，我们能得出两个结论:1.block其实就是一个对象 2.block代码块实际上是一个函数，通过函数指针传递给block对象结构体。
包含的内容包含如下图：

对应的block结构体是：

struct __TestBlock__whatisblock_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __TestBlock__whatisblock_block_desc_0* Desc;
  __TestBlock__whatisblock_block_impl_0(void *fp, struct __TestBlock__whatisblock_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;//isa指针
    impl.Flags = flags;//标识符
    impl.FuncPtr = fp;//block代码片段的函数实现
    Desc = desc;//描述
  }
};

这个结构体是C++的结构体，当中与结构体重名的函数是该结构体的构造函数。struct __block_impl impl;实际上就是block本身。
__TestBlock__whatisblock_block_desc_0是关于block本身信息的成员变量，构造如下：

static struct __TestBlock__whatisblock_block_desc_0 {
  size_t reserved;//保留大小
  size_t Block_size;//block大小
} __TestBlock__whatisblock_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __TestBlock__whatisblock_block_impl_0)};

很清楚看到，block变量的花括号的代码片段实际上转换为一个无状态的函数，这个函数的指针存入自身的Funcptr的变量中，而声明则为:

static void __TestBlock__whatisblock_block_func_0(struct __TestBlock__whatisblock_block_impl_0 *__cself)

入参只有一个cself，通过这个cself来获取block引用的变量，如果在block内部有引用的变量会在block这个结构体上声明，这个在第二篇详细讲述。
block包含三部分：

1. Block结构体本身
2. Block对应的处理逻辑的函数
3. Block引用的变量

Block的类型

从各种文档中已经明确Block的种类：

1. _NSConcreteGlobalBlock(全局Block)
2. _NSConcreteStackBlock(栈区Block)
3. _NSConcreteMallocBlock(堆区Block)
   那这里面说的全局、堆区、堆区指的是block变量所在的内存区域，从这个角度来分类，从上面的block结构体的内容我们知道，block结构体内基本上都是保存相关内容的指针，所以这三种block的差别实际上不仅仅体现在block结构体变量指针所在的内存区域，同时变量引用等的区别也非常大。其实也应该这么说，就是因为block声明的方式不同和引用外部变量的类型不同，所以才区分为这三种block，给block赋予正确的内存空间。

_NSConcreteGlobalBlock：
Block变量本身是处于全局区的，跟全局函数差不多，能保证调用时候的安全。
block本身没有捕获任何外部变量，或者block是声明在函数外部的，则也是全局Block。
如下：

void(^global_block)(void) = ^(){
    NSLog(@"This is global block~");
};

_NSConcreteStackBlock:
Block变量本身在栈区域，这意味着Block变量是声明在函数内，作为局部变量的，局部变量是在栈中保存，随着函数执行完而销毁，在ARC上，发现函数或方法当中局部声明的block也是_NSConcreteGlobalBlock类型的。
如以下例子：

-(void)whatisblock{
    void(^block)(void);
    block = ^(){
        NSString * testString = @"test block";
        NSLog(@"%@", testString);
    };
      block();
}

在此，我们发现 clang -rewrite-objc 转换的c++代码不一定是最后的结果，因为没有考虑的ARC的情况，比方说转换的C++代码中，impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;//isa指针明明写的是栈Block，但是运行起来断点查看确是_NSConcreteGlobalBlock类型，说明ARC做过优化。

_NSConcreteMallocBlock：
Block变量本身是在堆区域中的，因为Block需要在声明的方法或者是函数结束以后再执行，那么就必须由程序员开辟堆内存来保存Block和Block相关的变量，所以如果默认Block是在栈上的，要使用copy操作来将Block复制到堆区域中，并且捕获的相关变量也必须保留一份在堆内存区域中，这样才能在调用的时候能安全使用捕获的变量。假如一个Block捕获了外部变量，如果这个外部变量是函数内的局部变量，那么就要将block定义为堆block，这样才能保存捕获变量的引用。
如下：

-(void)whatisblock{
    void(^block)(void);
    block = ^(){
        NSString * testString = @"test block";
        NSLog(@"%@", testString);
    };
      block();
      NSNumber * num = @0;
    void(^stackBlock)(void) =^(){
        NSLog(@"This is Malloc Block %@",num);
    };
    stackBlock();
}

以上，就是第一篇关于Block的讨论和分析，下一篇将介绍对于Block比较重要的部分就是scope(作用域)中的变量捕获和内存管理。