iOS Block实质

实质

block 实质是一个OC对象，也存在 isa 指针

1.底层实现

先看一个最简单的block例子：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int a = 1;
        void(^block)(int number) = ^(int number) {
            NSLog(@"%d",number);
        };
    }
    return 0;
}

使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令将OC代码转化为底层的C++代码，观察block的底层结构。

我们打开编译生成的main.cpp代码，会发现上述代码被转化为如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        int a = 1;
        void(*block)(int number) = ((void (*)(int))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
    }
    return 0;
}

block 代码块被定义为 __main_block_impl_0 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;
    }
};

结构体中包含两个不同的结构体变量 __block_impl 和 __main_block_desc_0

__block_impl

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

这时我们可以看到该结构体包含isa指针，这就更加证实了block本质上也是一个OC对象，FuncPtr 指向block所封装的代码块地址，等执行block时会通过FuncPtr寻找将要执行的代码块，并且调用。

__main_block_desc_0

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size; //Block_size 为当前block 占用内存大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

__main_block_func_0

block 封装的代码块被定义为 __main_block_func_0 结构体

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself, int number) {
    
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gf_ct0sq2w17s16j4b1pz5_zx500000gn_T_main_68909d_mi_0,number);
}

2. block 变量捕获

auto 变量

如果我们将main函数改为：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        int a = 1;
        void(^block)() = ^() {
            NSLog(@"%d",a);
        };
        a = 2;
        block();
    }
    return 0;
}

在block内部引用外部变量，我们再看看内部组成结构。同样执行 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令。 我们可以看到，较之前，__main_block_impl_0 结构体新增一个 int 类型变量a，用于存储所引用的外部变量的值。因为是值存储，所以在block生成之后，无论外部变量做何更改，a依然是之前所定义的值。

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
}

static 变量

因为我们所定义的外部变量 a 之前没有任何修饰符，也就是默认的auto变量，此时block是值捕获。如果将外部变量声明为 static 类型再观察底层实现。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        int a = 1;
        static int b = 2;
        void(^block)(void) = ^() {
            NSLog(@"a: %d - b: %d",a,b);
        };
        a = 3;
        b = 4;
        
        block();
    }
    return 0;
}

转化为c++底层实现为：

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;
    int *b;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int *_b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

使用static 修饰的变量在block内部为指针传递，block直接捕获外部变量的内存地址，此时若外部变量在block声明之后修改，block内部也会同步进行修改。

全局变量

我们同样以代码的方式看一下block是否捕获全局变量

int a = 1;
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"a = %d", a);
        };
        a = 2;
        block();
    }
    return 0;
}

同样生成c++代码查看全局变量调用方式

int a = 1;


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;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_g7_bldz1yr55832skz1w_v3ygj40000gn_T_main_246d92_mi_0, a);
        }

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)};
int main(int argc, char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
        a = 2;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
        return UIApplicationMain(argc, argv, __null, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class"))));
    }
}

通过上述代码可以发现，如果使用全局变量，block不会捕获。因为声明全局变量的类型会在程序的整个声明周期都不会被释放，所以在使用block时，直接会去访问全局变量的值。

最后以一张图做一个总结

3. block 的类型

当我们声明一个block 并且打印他的继承链我们可以看到：

void(^block)(void) = ^() {
    NSLog(@"abc");
};

NSLog(@"%@",[block class]);
NSLog(@"%@",[[block class] superclass]);
NSLog(@"%@",[[[block class] superclass] superclass]);
NSLog(@"%@",[[[[block class] superclass] superclass] superclass]);

输出：

2018-06-28 10:37:23.901162+0800 BlockDemo[17574:719984] __NSGlobalBlock__
2018-06-28 10:37:23.901504+0800 BlockDemo[17574:719984] __NSGlobalBlock
2018-06-28 10:37:23.901522+0800 BlockDemo[17574:719984] NSBlock
2018-06-28 10:37:23.901535+0800 BlockDemo[17574:719984] NSObject

故我们可得出结论block的继承关系为：NSGlobalBlock ： __NSGlobalBlock ： NSBlock : NSObject

从而也进一步证明了block 本质上为 OC对象。并且，在不引用外部变量的情况下，block为 NSGlobalBlock 类型。

我们定义三个不同的block，分别打印他们的实际类型：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        void(^block1)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc");
        };
        NSLog(@"%@",[block1 class]);
        
        int abc = 1;
        void(^block2)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc: %d",abc);
        };
        NSLog(@"%@",[block2 class]);
        
        NSLog( @"%@", [^(){
            NSLog(@"hello %d",abc);
        } class]);
        
    }
    return 0;
}

输出：

2018-06-28 10:48:32.096859+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSGlobalBlock__
2018-06-28 10:48:32.097224+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSMallocBlock__
2018-06-28 10:48:32.097243+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSStackBlock__

我们可以得出结论，

block 类型分三种：分别为 __NSGlobalBlock__ __NSMallocBlock__ __NSStackBlock__

他们在内存中位置分别：

那他们是如何区分的呢？可以使用如下表格来说明:

Block 类型	条件
NSGlobalBlock	block 内部没有访问auto变量
NSStackBlock	block 内部访问了 auto变量
NSMallocBlock	NSStackBlock 调用了copy

NSStackBlock 执行 copy 后会将栈区的block 复制到堆区，便于程序管理。那其他类型的block执行 copy 会有什么变化呢？如下表所示：

Block 类型	存储域	执行 copy 后效果
NSGlobalBlock	程序的数据区域	无任何改变
NSStackBlock	栈	从栈复制到堆
NSMallocBlock	堆	引用计数器加1

4. ARC 下某些情况下系统会对 Block 自动执行一次 copy 操作，将 Block 从栈区转移到堆区

1.当 block 作为函数返回值时

typedef void(^MyBlock)(void);

MyBlock testBlock() {
    int a = 1;
    MyBlock myBlock = ^ {
        NSLog(@"%d",a);
    };
    return myBlock;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyBlock myBlock = testBlock();
        NSLog(@"%@",[myBlock class]);
    }
    return 0;
}

如果此代码在MRC 环境下，会崩溃。block访问的变量已被释放。 如果在ARC环境下，在参数的返回值为block时，系统会对block自动执行一次 copy 操作，使其变为 NSMallocBlock 类型。

2.当block 被强指针引用时会自动执行copy操作

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int a = 1;
        MyBlock myBlock = ^ {
            NSLog(@"%d",a);
        };
        NSLog(@"%@",[myBlock class]);
    }
    return 0;
}

如上代码，在MRC环境输出：__NSStackBlock__ 。在 ARC环境输出：__NSMallocBlock__

3.当 block 做为cocoa API 或 GCD API 的方法参数时也会自动执行 copy 操作

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

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
    
});

这也说明了为什么在 MAC 环境下的block属性必须使用 copy 修饰，而ARC环境下的block属性既可使用 strong 修饰，也可以使用 copy 修饰，两者都会对block自动执行copy操作，故无任何区别。

5.block 内部引用对象

观察如下代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        {
            Person *person = [Person new];
            person.age = 10;
            ^{
                NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
            }();
        }
   }
    return 0;
}

会发现当 函数体内 大括号执行完毕后 Person 即被释放，此时的block 是 栈类型的Block 即 __NSStackBlock__. 存储在栈区的block即便引用了对象，也会跟随大括号一并释放。

如果将以上代码改为：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyBlock myBlock;
        {
            Person *person = [Person new];
            person.age = 10;
            myBlock = ^{
                NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
            };
            myBlock();
            
        } // 执行完毕，person没有被释放
    }// person 释放
    return 0;
}

大括号执行完毕之后，person依然不会被释放，此时block 已经对 person 对象进行了强引用。因为 此时 的block 为强指针引用，类型为 堆block __NSMallocBlock__. 为什么堆 block 会对外部对象强引用呢？

此时 使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m 命令 观察其底层 c++ 实现：

此时block 定义为：

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    Person *__strong person;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, Person *__strong _person, int flags=0) : person(_person) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

其中 main_block_desc_0 定义为：

static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
    void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
    void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
}

较之前block引用基本成员类型时，其 main_block_desc_0 多了两个参数分别为 copy 和 dispose。并且传入的都是 __main_block_impl_0 block 本身。

当 block 执行 copy 操作的时候，执行的是

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

方法。最终调用的 _Block_object_assign 方法会对block引入的对象 person 进行引用计数操作，当所引入的对象使用 strong 修饰则使其引用计数加1，若使用weak修饰则引用计数不变。

当 block 执行完毕的时候会调用 dispose 方法，而dispose 在底层会调用

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

方法，将block内部引用的对象成员引用计数减1，如果此时外部对象使用strong 修饰，引用计数在copy加1后 此时再减1.依然会强引用外部对象，不会释放，如果使用weak修饰，此时因为自身以及被释放，所以不会再持有所引用外部对象，然而此时所引用外部对象是否会被释放取决于它的引用计数是否为 0。

6. block 内部修改外部变量的值。

我们知道，如果block 内部捕获的外部变量为 auto 类型，在block 内部生成的是该变量的值类型变量，无法通过block内部的值修改外部变量。 如果想在block内部修改外部变量的值有几种方法？

1.外部变量使用 static 修饰

使用 static 修饰的变量block内部会直接获取到变量的内存地址，可以直接修改。

2.使用 __block

若使用 static 变量修饰，该变量的生命周期就会无限延长，这不符合我们的设计思路，故我们可以使用 __block 来修饰外部变量，从而达到在block内部修改外部成员变量的目的。 那 __block 是如何实现此需求的呢？

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block int a = 10;
        MyBlock block = ^{
            a = 20;
            NSLog(@"a --- %d",a);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m 命令将其转化为c++ 实现：

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    __Block_byref_a_0 *a; // by ref
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, int flags=0) : a(_a->__forwarding) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

我们可知 通过 __block 修饰的外部成员变量被定义为 __Block_byref_a_0 对象！它的声明为：

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

此时在main函数内声明 __block 类型的变量会以此方式初始化：

__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};

其中 __forwarding 保存的原变量 a 的内存地址，size 为当前变量的内存大小，10 保存未原变量的值。

如此，我们在block 内部修改 原变量时：

(a->__forwarding->a) = 20;

直接取原变量的地址进行更改，从而实现在block内部更改外部变量。

7. __block 和 对象类型的auto变量 的内存管理

对于block内部捕获的对象类型的auto变量和__block修饰的变量。如果block在栈区，不会对他们进行内存管理，即不会强引用外部变量

如果block被复制到堆区，则会调用内部 copy 函数对外部 __block 修饰的变量和对象类型的auto变量进行内存管理。

当block从内存中移除时，同样也会调用dispose函数对所引用的外部变量进行释放。

8. 循环引用

使用 block 很容易形成循环引用，如果一个类中定义的block内部引用了该类的外部属性，包括 类本身的 self， 均会导致 self 强引用 block，block 也强引用 self。导致self不会被释放。如下代码就会造成循环引用：

#import 

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, assign) NSInteger age;

@property (nonatomic, copy)  void(^personBlock)(void);

@end

#import "Person.h"

@implementation Person

- (void)test {
    self.personBlock = ^{
        NSLog(@"%d",self.age); //此处若即便使用 _age  也会产生循环引用。
    };
}

- (void)dealloc {
}
@end

产生循环引用的本质原因是，在block内部实现里，会将self 捕获到block内部，并且strong 强引用。如下代码所示：

struct __Person__test_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
    Person *const __strong self;
    __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, Person *const __strong _self, int flags=0) : self(_self) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};

9. 避免产生循环引用

1. (ARC 环境下) __weak ： 弱引用对象，指向的对象销毁时，会自动将指针置为nil。因此一般通过__weak来解决问题。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        Person *person1 = [Person new];
        person1.age = 18;
        __weak typeof(person1) weakPerson = person1;
        person1.personBlock = ^{
            NSLog(@"%ld",(long)weakPerson.age);
        };
        person1.personBlock();
    }
    return 0;
}

2. (ARC / MRC 环境下) __unsafe_unretained ： 弱引用对象，指向的对象销毁时，不会自动将指针置为nil。再次引用该对象时可能会产生访问僵尸对象的错误，产生崩溃，故不建议使用！

__unsafe_unretained Person *person1 = [Person new];

3. (ARC / MRC 环境下) __block : 使用__block 修饰对象. 在ARC环境下-调用此block后，需要在block内部将所引用的外部变量手动置nil。因为 MRC 环境下，引用__block 修饰的对象不会使其引用计数加1，所以不需要手动置nil，也不是必需要使用block。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        __block Person *person1 = [Person new];
        person1.age = 18;
        person1.personBlock = ^{
            NSLog(@"%ld",(long)person1.age);
            person1 = nil;
        };
        person1.personBlock();
    }
    return 0;
}

参考链接：

• https://juejin.im/post/5b35a5a551882574ea3a25d7
• http://www.cocoachina.com/ios/20180628/23965.html