关于Block一些记录

大概两三周前通过学习《Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理》中的Block章节，系统深入了解了Block相关原理和内存管理的内容，昨天闲暇时回想起来，感觉有些东西又模糊了，内容记得七七八八，太碎片化了。索性好记性不如烂笔头，把自己的理解整理记录一下。

将Objective-C代码转换为C\C++代码

Clang（LLVM编译器）具有转换为我们可读源代码的功能。

//如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-framework UIKit
xcrun  -sdk  iphoneos  clang  -arch  arm64  -rewrite-objc  OC源文件  -o  输出的cpp文件

设置了sdk的平台和cpu架构，减少转换出来的代码量，方便查阅。

可能会遇到以下问题:

cannot create __weak reference in file using manual reference

解决方案：支持ARC、指定运行时系统版本，比如

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 OC源文件 -o  输出的cpp文件

Block底层结构

当Block没有自动捕获变量时:

//Block定义的结构体
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;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
}
};

我们代码中写的Block在底层会被转换成类似上面这样子的结构体类型，struct __main_block_impl_0。

而struct __main_block_impl_0中包含了两个结构体：struct _block_impl impl和struct __main_block_desc_0 *Desc，以及一个构造函数。再看一下两个结构体的定义。

struct _block_impl {
void *isa;  //指向了block所属的类型
int Flags;  
int Reserved;   // 预留
void *FuncPtr;  // 函数指针，指向block中方法实现
};

//存储block的其他信息，大小等
struct __main_block_desc_0 {
unsigned long reserved;   // 预留
unsigned long Block_size; // Block的大小
}

通过上面可以看出Blcok也是包含一个isa指针，因此也是一种OC对象。具体是什么类，因为涉及到Blcok的内存管理，所以后面篇幅再深入讨论。

再看一下给Blcok结构体赋值和调用的代码：

//赋值部分
struct __main_block_impl_0 temp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0,&__mainBlock_desc_0_DATA);
struct __main_block_impl_0 *blk = &temp;
//调用部分
(*blk->impl.FuncPtr)(blk);

赋值部分就是调用了__main_block_impl_0的构造函数，将方法和__main_block_desc_0类型的结构体作为参数传递进入。
方法调用是通过Blcok的结构体取出其中的函数指针，直接调用该函数，同时将Block自身作为参数传递给方法实现。

先对简单的Block有个印象。

Block变量捕获机制

int c = 30; // 全局变量(数据段,不需要捕获)

- (void)blockTest {
    auto int a = 10;//局部auto变量(栈区，值捕获)
    auto __strong NSObject *object = [[NSObject alloc] init];//局部auto变量(栈区，值捕获)
    static int b = 20;//局部static变量(数据段，指针捕获)
    void (^block)(void) = ^(void) {
        NSLog(@"a:%d b:%d c:%d",a,b,c);
        NSLog(@"object:%@",object);
    };
    block();
}

为了在Block内部可以访问外部的变量，Block有个变量捕获机制。那么什么样的变量才会捕获，什么样的不会捕获呢？

• 局部变量

  1. auto变量（平时我们在方法中声明的非static局部变量，只是省略了auto关键字），这种情况是值捕获。
  2. static变量和结构体，这种情况是指针捕获。

• 全局变量：不会捕获，因为不需要捕获就可以访问。

总结就是:只捕获局部变量。

Block捕获变量之后代码什么样子?

将上面的- (void)blockTest转换C看一下：

struct __blockTest_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __blockTest_block_desc_0* Desc;
  int a;
  int *b;
  NSObject *object;
  // 省略构造函数...
};

嗯，备注的没有错。变量a和object都是值捕获，而变量b捕获的是*b，是指针的捕获，而c没有捕获。

Block的内存管理

Block有3种类型，可以通过调用class方法或者isa指针查看具体类型，最终都是继承自NSBlock类型。

• NSGlobalBlock （ _NSConcreteGlobalBlock ）//全局
• NSStackBlock （ _NSConcreteStackBlock ） //栈
• NSMallocBlock （ _NSConcreteMallocBlock ）//堆

除了打印，那么怎么判断一个Block的具体类型...？

1. NSGlobalBlock : 没有访问auto变量。
2. NSStackBlock : 访问了auto变量。
3. NSMallocBlock : __NSStackBlock__调用了copy。

可能有的同学在这里这样子测试一下，发现上面的判断依据并不对...

001.png

明明Block访问的是auto变量，但是Block的类型是__NSMallocBlock__呐，并不是__NSStackBlock__,你说的不对。不着急，其实这里还涉及到另外一个问题：Block的内存管理。

对一个Blcok进行copy操作后，对三种类型的Blcok产生的影响：

1. __NSGlobalBlock__ :
   • copy前：Block位于数据段中；
   • copy后：不产生任何影响。
2. __NSStackBlock__ :
   • copy前：Block位于函数栈中；
   • copy后：从栈中复制一份到堆中。
3. __NSMallocBlock__ :
   • copy前：Block位于堆中；
   • copy后：Block的引用计数增加。

在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的Block复制到堆上，比如以下情况：

1. Block作为函数返回值时。
2. 将Block赋值给__strong指针时。
3. Block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时。
4. Block作为GCD API的方法参数时。

在之前的图片（001）中，就是其中的第二种情况，Block被赋值给__strong指针。

这也是为什么我们习惯于用copy关键字，来修饰一个Block。以及将Block当做参数传递时，安全起见，会对Block参数执行copy操作。

Block对对象类型变量的强弱引用问题

1. 当Block内部访问了对象类型的auto变量时：

   • 如果Block是在栈上，将不会对auto变量产生强引用。就是说栈上的Block不会强引用一个对象

2. 当Block被拷贝到堆上时:

   • 会调用Block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auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用

3. 当Block从堆上移除时：

   • 会调用Block内部的dispose函数
   • dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
   • _Block_object_dispose函数会自动释放引用的auto变量（release）

__block修饰符

__block的作用:

• __block可以用于解决Block内部无法修改auto变量值的问题。
• __block不能修饰全局变量、静态变量（static）。

编译器会将__block变量包装成一个对象:

void blockTest() {
    __block int a = 10;
    __block NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
    NSLog(@"a:%d",a);
    void (^block)(void) = ^(void) {
        a = 20;
        NSLog(@"object --- %@",object);
    };
    block();
}

将上面的代码转换成C++之后可以看到：

// __block int a 被转换为下面的结构体

struct __Block_byref_a_0 {
 void *__isa;
 __Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

//  __block NSObject *object 被转换为下面的结构体

struct __Block_byref_object_1 {
  void *__isa;
__Block_byref_object_1 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 NSObject *object;
};

__Block_byref_a_0 *__forwarding是一个指向自身的指针。

Snip20180612_3.png

当我们的OC代码中，去访问被__block修饰的变量，在底层中是如何去读取变量呢？
上面的代码中有一段打印的代码：

NSLog(@"a:%d",a);

在C++中被转成了:

NSLog((NSString *)//此处省略，影响阅读//,(a.__forwarding->a));

在Blcok中修改a的值：

a = 20;

在C++中被转成了:

// 从blcok取出blcok捕获的被`__block`修饰的变量
__Block_byref_a_0 *a = __cself->a; //__cself是blcok
(a->__forwarding->a) = 20;

在Block的外部和外部访问变量是通过a.__forwarding->a，访问结构体的__forwarding指针找到值。可能有的同学有疑问：不是多此一举的嘛？结构体->__forwarding->结构体->val，直接结构体->val不就可以了吗?

目前能看出的作用是保持统一的写法，当然还有其他的原因，后面讲解。

总结:

• 当没有使用__block时，由于是值捕获，所以哪怕在Block内修改，也不能影响到Block外变量的值，因此苹果不允许直接修改。
• 而当我们在Block去修改被__block修饰的变量时，由于是捕获到__block结构体的指针，这样就可以我们可以修改Block外面的值了。

__block的内存管理

• 开始时__block结构体是一个在栈上的结构体，在栈上的内存无所谓强弱引用的关系。而__block结构体包装的对象是强或弱引用，是通过你使用__weak和__strong哪个来修饰决定的。

 NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
__block __weak typeof(object) weakObject = object;
__block  NSObject *strongObjce = object;

• 当Block被拷贝到堆上时，会自动将捕获的__block结构体也拷贝到堆上。由于__block的结构体也有isa指针，同时还在堆空间中，我们可以将它理解成一个OC的对象，__block对象。

Snip20180612_4.png

• 于此同时还会将栈上的__block结构体中的__forwarding指针，指向堆空间中的__block对象。Block捕获的指针，会从栈上的__block结构体变为堆空间中的__block对象，同时对__block对象强引用。

Snip20180612_6.png

• 当Block从堆中移除时：
  Snip20180612_5.png

这样分析一下，除了会将__block结构体从栈移动到堆之外，和普通形式的auto对象内存管理，流程上没有什么差别。当然具体内部调用的函数参数还是有点区别的：

当Block拷贝到堆上时，都会通过copy函数来处理它们

__block变量（假设变量名叫做a）
_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);

对象类型的auto变量（假设变量名叫做p）
_Block_object_assign((void*)&dst->p, (void*)src->p, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);

当Block从堆上移除时，都会通过dispose函数来释放它们:

__block变量（假设变量名叫做a）
_Block_object_dispose((void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);

对象类型的auto变量（假设变量名叫做p）
_Block_object_dispose((void*)src->p, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);

能看到,虽然调用的方法相同，但是传递的参数类型不同：3和8。这决定了方法内部如何去处理流程吧。

循环引用

想必读到这里，应该可以理解循环引用是怎么产生的了。

Snip20180612_7.png

注意:self是方法调用时传递的第一个参数，是局部变量。

怎么解决?
不让Block强引用self，断掉一条线，就不会产生循环引用。

我们一般通过__weak来修饰变量，比如这样:

__weak typeof(self) weakSelf = self;

也可以使用__unsafe_unretained修饰变量解决。关于__unsafe_unretained可以看这篇文章。

他们的区别：
__weak: 对于__weak，指针的对象在它指向的对象释放的时候回转换为nil，这是一种特别安全的行为。
__unsafe_unretained: 就像他的名字表达那样，__unsafe_unretained会继续指向对象存在的那个内存，即使是在它已经销毁之后。这会导致因为访问那个已释放对象引起的崩溃。

为了更安全的使用，我们经常是这样写：

__weak typeof(self) weakSelf = self; //解决循环应用
self.block = ^{
    __strong typeof(self) strongSelf = weakSelf; 
    //在Block方法内部，即：局部变量内；对weakSelf进行一个强引用，
    //这样可以确保，当self其他的强引用都释放时，仍然保持有一个强引用，
    //这样self不会再block内部突然释放掉，导致后面的代码出现未知的问题。
    //do someThing...//
};

以上就是我个人对Block的一些理解，如有错误的地方，希望各位大侠不吝赐教！！