探索 Block 的本质

定义

• Block 是 C 语言的扩充功能
• Block 是带有自动变量(局部变量)的匿名函数

本质

• Block 是一个 Objc 对象

底层实现

下面我将通过一个简单的例子，结合源代码进行介绍

int main(int argc, const char * argv[]) {
    void (^blk)(void) = ^{ printf("Hello Block\n"); };
    blk();
    return 0;
}

使用clang -rewrite-objc main.m，我们可以将 Objc 的源码转成 Cpp 的相关源码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // Block 的创建
    void (*blk)(void) =
        (void (*)(void))&__main_block_impl_0(
            (void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    
    // Block 的使用
    ((void (*)(struct __block_impl *))(
        (struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);
    return 0;
}

由上面的源码，我们能猜想到:

• Block 的创建涉及__main_block_impl_0结构体
• Block 的涉及到了FuncPtr函数指针的调用

从这里为切入点看看上面提到的都是啥

Block 的数据结构

Block 的真身:

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    // 省略了构造函数
};

• Block 其实不是一个匿名函数，他是一个结构体
• __main_block_impl_0名字的命名规则: __所在函数_block_impl_序号

impl 变量的数据结构

__main_block_impl_0的主要数据:

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

• isa指针: 体现了 Block 是 Objc 对象的本质。
• FuncPtr指针: 其实就是一个函数指针，指向所谓的匿名函数。

Desc 变量的数据结构

__main_block_desc_0中放着 Block 的描述信息

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)
};

"匿名函数"

__main_block_impl_0即 Block 创建时候使用到了__main_block_func_0正是下面的函数:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("Hello Block\n");
}

• 这部分和^{ printf("Hello Block\n"); }十分相似，由此可看出: 通过 Blocks 使用的匿名函数实际上被作为简单的 C 语言函数来处理
• 函数名是根据 Block 语法所属的函数名(此处main)和该 Block 语法在函数出现的顺序值(此处为 0)来命名的。
• 函数的参数__cself相当于 C++ 实例方法中指向实例自身的变量this，或是 Objective-C 实例方法中指向对象自身的变量self，即参数__cself为指向 Block 的变量。
• 上面的(*blk->impl.FuncPtr)(blk);中的blk就是__cself

介绍了基本的数据结构，下面到回到一开始的main函数，看看 Block 具体的使用

Block 的创建

void (*blk)(void) =
        (void (*)(void))&__main_block_impl_0(
            (void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
/** 去掉转换的部分
 struct __main_block_impl_0 tmp =
     __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
 struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
*/

• void (^blk)(void)就是是一个struct __main_block_impl_0 *blk
• Block 表达式的其实就是通过所谓的匿名函数__main_block_func_0的函数指针创建一个__main_block_impl_0结构体，我们用的时候是拿到了这个结构体的指针。

Block 的使用

((void (*)(struct __block_impl *))(
        (struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);
/** 去掉转换的部分
 (*blk->impl.FuncPtr)(blk);
*/

• Block 真正的使用方法就是使用__main_block_impl_0中的函数指针FuncPtr
• (blk)这里是传入自己，就是给_cself传参

Block 的类型

从 Block 中的简单实现中，我们从isa中发现 Block 的本质是 Objc 对象，是对象就有不同类型的类。因此，Block 当然有不同的类型

在 Apple 的libclosure-73中的data.c上可见，isa可指向:

void * _NSConcreteStackBlock[32] = { 0 }; // 栈上创建的block
void * _NSConcreteMallocBlock[32] = { 0 }; // 堆上创建的block
void * _NSConcreteAutoBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteFinalizingBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteGlobalBlock[32] = { 0 }; // 作为全局变量的block
void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32] = { 0 };

其中我们最常见的是:

Block的类型	名称	行为	存储位置
_NSConcreteStackBlock	栈Block	捕获了局部变量	栈
_NSConcreteMallocBlock	堆Block	对栈Block调用copy所得	堆
_NSConcreteGlobalBlock	全局Block	定义在全局变量中	常量区（数据段）

PS: 内存五大区：栈、堆、静态区（BSS 段）、常量区（数据段）、代码段

关于 copy 操作

对象有copy操作，Block 也有copy操作。不同类型的 Block 调用copy操作，也会产生不同的复制效果：

Block的类型	副本源的配置存储域	复制效果
_NSConcreteStackBlock	栈	从栈复制到堆
_NSConcreteGlobalBlock	常量区（数据段）	什么也不做
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用计数增加

栈上的 Block 复制到堆上的时机

• 调用 Block 的copy实例方法

编译器自动调用_Block_copy函数情况

• Block 作为函数返回值返时
• 将 Block 赋值给 __strong 指针(id或 Block 类型成员变量)
• 在 Apple 的 Cocoa、GCD 等 api 中传递 Block 时

PS: 在 ARC 环境下，声明的 Block 属性用copy或strong修饰的效果是一样的，但在 MRC 环境下用 copy 修饰。

捕获变量

基础类型变量

以全局变量、静态全局变量、局部变量、静态局部变量为例:

int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int val = 3;
    static int static_val = 4;
    
    void (^blk)(void) = ^{
        printf("global_val is %d\n", global_val);
        printf("static_global_val is %d\n", static_global_val);
        printf("val is %d\n", val);
        printf("static_val is %d\n", static_val);
    };
    
    blk();
    
    return 0;
}

转换后“匿名函数”对应的代码:

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

    printf("global_val is %d\n", global_val);
    printf("static_global_val is %d\n", static_global_val);
    printf("val is %d\n", val);
    printf("static_val is %d\n", (*static_val));
}

• 全局变量、静态全局变量: 作用域为全局，因此在 Block 中是直接访问的。
• 局部变量: 生成的__main_block_impl_0中存在val实例，因此对于局部变量，Block 只是单纯的复制创建时候局部变量的瞬时值，我们可以使用值，但不能修改值。

struct __main_block_impl_0 {
  // ...
  int val; // 值传递
  // ...
};

• 静态局部变量: 生成的__main_block_impl_0中存在static_val指针，因此 Block 是在创建的时候获取静态局部变量的指针值。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    int *static_val; // 指针传递
    // ...
};

对象类型变量

模仿基础类型变量，实例化四个不一样的SCPeople变量:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // 省略初始化
    [globalPeople introduce];
    [staticGlobalPeople introduce];
    [people introduce];
    [staticPeople introduce];
    
    return 0;
}

转换后"匿名函数"对应的代码:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    SCPeople *people = __cself->people; // bound by copy
    SCPeople **staticPeople = __cself->staticPeople; // bound by copy

    // 省略 objc_msgSend 转换
    [globalPeople introduce];
    [staticGlobalPeople introduce];
    [people introduce];
    [*staticPeople introduce];
}

• 全局对象、静态全局对象: 作用域依然是全局，因此在 Block 中是直接访问的。
• 局部对象: 生成的__main_block_impl_0中存在people指针实例，因此 Block 获取的是指针瞬间值，我们可以在 Block 中通过指针可以操作对象，但是不能改变指针的值。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    SCPeople *people;
    // ...
};

• 静态局部对象: 生成的__main_block_impl_0中存在staticPeople指针的指针，因此 Block 是在创建的时候获取静态局部对象的指针值(即指针的指针)。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    SCPeople **staticPeople;
    // ...
};

小结

通过对基础类型、对象类型与四种不同的变量进行排列组合的小 Demo，不难得出下面的规则:

变量类型	是否捕获到 Block 内部	访问方式
全局变量	否	直接访问
静态全局变量	否	直接访问
局部变量	是	值访问
静态局部变量	是	指针访问

PS:

• 基础类型和对象指针类型其实是一样的，只不过指针的指针看起来比较绕而已。
• 全局变量与静态全局变量的存储方式、生命周期是相同的。但是作用域不同，全局变量在所有文件中都可以访问到，而静态全局变量只能在其申明的文件中才能访问到。

变量修改

上面的篇幅通过底层实现，向大家介绍了 Block 这个所谓"匿名函数"是如何捕获变量的，但是一些时候我们需要修改 Block 中捕获的变量:

修改全局变量或静态全局变量

全局变量与静态全局变量的作用域都是全局的，自然在 Block 内外的变量操作都是一样的。

修改静态局部变量

在上面变量捕获的章节中，我们得知 Block 捕获的是静态局部变量的指针值，因此我们可以在 Block 内部改变静态局部变量的值(底层是通过指针来进行操作的)。

修改局部变量

使用__block修饰符来指定我们想改变的局部变量，达到在 Block 中修改的需要。

我们用同样的方式，通过底层实现认识一下__block，举一个🌰:

 __block int val = 0;
void (^blk)(void) = ^{ val = 1; };
blk();

经过转换的代码中出现了和单纯捕获局部变量不同的代码:

__Block_byref_val_0结构体

struct __Block_byref_val_0 {
    void *__isa; // 一个 Objc 对象的体现
    __Block_byref_val_0 *__forwarding; // 指向该实例自身的指针
    int __flags;
    int __size;
    int val; // 原局部变量
};

• 编译器会将__block修饰的变量包装成一个 Objc 对象。

val转换成__Block_byref_val_0

__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_val_0 val = {
    (void*)0,
    (__Block_byref_val_0 *)&val,
    0,
    sizeof(__Block_byref_val_0),
    0
};

__main_block_impl_0捕获的变量

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    __Block_byref_val_0 *val; // by ref
    // ...
};

• Block的__main_block_impl_0结构体实例持有指向__block变量的__Block_byref_val_0结构体实例的指针。
• 这个捕获方式和捕获静态局部变量相似，都是指针传递

"匿名函数"的操作

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    __Block_byref_val_0 *val = __cself->val; // bound by ref
    
    (val->__forwarding->val) = 1;
}

(val->__forwarding->val) 解释

• 左边的val是__main_block_impl_0中的val，这个val通过__block int val的地址初始化
• 右边的val是__Block_byref_val_0中的val，正是__block int val的val
• __forwarding在这里只是单纯指向了自己而已
  val->__forwarding->val

__forwarding 的存在意义

上面的"栈Blcok"中__forwarding在这里只是单纯指向自己，但是在当"栈Blcok"复制变成"堆Block"后，__forwarding就有他的存在意义了:

__forwarding 的存在意义
PS:__block修饰符不能用于修饰全局变量、静态变量。

内存管理

Block 与对象类型

copy & dispose

众所周知，对象其实也是使用一个指针指向对象的存储空间，我们的对象值其实也是指针值。虽然是看似对象类型的捕获与基础类型的指针类型捕获差不多，但是捕获对象的转换代码比基础指针类型的转换代码要多。(__block变量也会变成一个对象，因此下面的内容也适用于__block修饰局部变量的情况)。多出来的部分是与内存管理相关的copy函数与dispose函数:

底层实现

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

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

这两个函数在 Block 数据结构存在于Desc变量中:

static struct __main_block_desc_0 {
  // ...
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
}; // 省略了初始化好的结构体

函数调用时机

函数	调用时机
copy 函数	栈上的 Block 复制到堆时
dispose 函数	堆上的 Block 被废弃时

函数意义

• copy函数中的_Block_object_assign函数相当于内存管理中的retain函数，将对象赋值在对象类型的结构体成员变量中。
• dispose函数中的_Block_object_dispose函数相当于内存管理中的release函数，释放赋值在对象类型的结构体变量中的对象。
• 通过copy和dispose并配合 Objc 运行时库对其的调用可以实现内存管理

※ 例子

当 Block 内部访问了对象类型的局部变量时:

• 当 Block 存储在栈上时: Block 不会对局部变量产生强引用。
• 当 Block 被copy到堆上时: Block 会调用内部的copy函数，copy函数内部会调用_Block_object_assign函数，_Block_object_assign函数会根据局部变量的修饰符(__strong、__weak、__unsafe_unretained)作出相应的内存管理操作。(注意: 多个 Block 对同一个对象进行强引用的时，堆上只会存在一个该对象)
• 当 Block 从堆上被移除时: Block 会调用内部的dispose函数，dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数，_Block_object_dispose函数会自动release引用的局部变量。(注意: 直到被引用的对象的引用计数为 0，这个堆上的该对象才会真正释放)

PS: 对于__block变量，Block 永远都是对__Block_byref_局部变量名_0进行强引用。如果__block修饰符背后还有其他修饰符，那么这些修饰符是用于修饰__Block_byref_局部变量名_0中的局部变量的。

现象: Block 中使用的赋值给附有__strong修饰符的局部变量的对象和复制到堆上的__block变量由于被堆的 Block 所持有，因而可超出其变量作用域而存在。

循环引用

由于 Block 内部能强引用捕获的对象，因此当该 Block 被对象强引用的时候就是注意以下的引用循环问题了:

引用循环

ARC 环境下解决方案

1. 弱引用持有：使用__weak或__unsafe_unretained捕获对象解决
   

   弱引用持有
   • weak修饰的指针变量，在指向的内存地址销毁后，会在 Runtime 的机制下，自动置为nil。
   • _unsafe_unretained不会置为nil，容易出现悬垂指针，发生崩溃。但是_unsafe_unretained比__weak效率高。

2. 使用__block变量：使用__block修饰对象，在 block 内部用完该对象后，将__block变量置为nil即可。虽然能控制对象的持有期间，并且能将其他对象赋值在__block变量中，但是必须执行该 block。（意味着这个对象的生命周期完全归我们控制）
   

   使用`__block`变量

MRC 环境下解决方案

1. 弱引用持有：使用__unsafe_unretained捕获对象
2. 直接使用__block修饰对象，无需手动将对象置为nil，因为底层_Block_object_assign函数在 MRC 环境下对 block 内部的对象不会进行retain操作。

MRC 下的 Block

ARC 无效时，需要手动将 Block 从栈复制到堆，也需要手动释放 Block

• 对于栈上的 Block 调用retain实例方法是不起作用的
• 对于栈上的 Block 需要调用一次copy实例方式(引用计数+1)，将其配置在堆上，才可继续使用retain实例方法
• 需要减少引用的时候，只需调用release实例方法即可。
• 对于在 C 语言中使用 Block，需要使用Block_copy和Block_release代替copy和release。