iOS底层原理探索— block的本质(二)

探索底层原理，积累从点滴做起。大家好，我是Mars。

往期回顾

iOS底层原理探索—OC对象的本质
iOS底层原理探索—class的本质
iOS底层原理探索—KVO的本质
iOS底层原理探索— KVC的本质
iOS底层原理探索— Category的本质(一)
iOS底层原理探索— Category的本质(二)
iOS底层原理探索— 关联对象的本质
iOS底层原理探索— block的本质(一)

今天继续带领大家探索iOS之block的本质。

block内修改变量的值

首先我们来看一段代码：

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

代码中变量a的值会改变吗？答案是不会，这段代码编译的时候就会报错。因为我们无法在block内部直接修改变量的值。

变量a是在main函数中声明的，说明变量a的内存在main函数的栈空间内存储。我们在iOS底层原理探索— block的本质(一)中分析过block的底层结构：block块内的执行代码是在底层中的__main_block_func_0函数中。__main_block_func_0函数内部的a是block结构体中的a，main函数和__main_block_func_0函数的栈空间不一样，因此无法在__main_block_func_0函数中去修改main函数内部的变量。

那么我们就真的无法修改block内部变量的值了吗？当然不是，系统为我们提供可两种方式来完成对block内部变量的值进行修改。

1.使用static关键字

我们在iOS底层原理探索— block的本质(一)中block的变量捕获机制提到过：对static修饰的变量，block以指针访问的形式捕获变量。所以我们用在static修饰了变量a后，就可以在__main_block_func_0函数内部直接拿到变量a的内存地址，因此我们也就可以在block内部修改变量a的值了。

static修饰变量.png

2.使用__block关键字

__block用于解决block内部不能修改变量值的问题。编译器会将__block修饰的变量包装成一个对象
注意：__block不能修饰全局变量、静态变量(static)

__block修饰变量.png

经过测试验证， __block内部可以修改用 __block关键字修饰的变量的值。那么 __block都做了些什么呢？我们看一下底层代码：

__block修饰变量的c++代码.png

可以看到，经 __block关键字修饰后，变量 a在 block底层结构体 __main_block_impl_0中以 __Block_byref_a_0类型的结构体被捕获。

我们看一下在定义变量a时，经__block关键字修饰后有什么不同。来到main函数中：

main函数代码.png

从红色标注的代码可以看到，经过__block关键字修饰后，变量a为__Block_byref_a_0类型，并且传入了5个参数。这5个参数分别对应的传入了上图中__Block_byref_a_0类型的结构体中。我们来分析一下__Block_byref_a_0结构体中的5个元素：
__isa指针 ：结构体中存在的这个isa指针也就说明了__Block_byref_a_0本质是一个对象。
__forwarding：__forwarding是__Block_byref_a_0结构体类型的，并且__forwarding存储的值为(__Block_byref_a_0 *)&a，即结构体自己的内存地址。
__flags ：0
__size ：sizeof(__Block_byref_a_0)即__Block_byref_a_0所占用的内存空间。
a：用来存储变量，这里存储10。

上图的代码中，在定义block时，将__Block_byref_a_0类型的变量a的地址传进去(黄色标注)。我们上文讲了，__main_block_impl_0结构体中有一个__Block_byref_a_0 *a，它存储的就是传进来的变量a的地址。

接下来我们看一下block内修改变量值和打印变量值的代码，转换后即__main_block_func_0函数的代码：

block内封装的执行函数.png

首先先拿到 __main_block_impl_0中的 __Block_byref_a_0类型的 a结构体，然后就是红色标注的代码，这句代码的意思是： 通过a结构体拿到__forwarding指针，再通过__forwarding拿到结构体中的变量a并赋值为20。上文讲过 __forwarding中保存的就是 __Block_byref_a_0结构体本身的地址，这里也就是 a的地址)。

同样NSLog打印a的值也是通过同样的方式获取a的值完成打印，当然此时的a的值已经是20了。

至此，我们就弄清楚了为什么经过__block关键字修饰后就修改变量的值了。__block将变量包装成对象，然后再把变量封装在结构体里面，block内部存储的变量为结构体指针，也就可以通过指针找到内存地址进而修改变量的值。

block的内存管理

如果__block修饰对象类型的变量，能否在block内部改变这个变量呢？我们写一段代码测试一下：

__block修饰对象类型变量.png

通过打印输出null证明对象类型的变量经过__block修饰后，在block内部也可以进行修改。那么这时候block底层结构体是什么样子呢？
我们在iOS底层原理探索— block的本质(一)中提到过：当block中捕获对象类型的变量时，block底层结构中__main_block_desc_0结构体内部会自动添加copy函数和dispose函数对捕获的变量进行内存管理。

__block修饰对象类型变量后的__main_block_desc_0.png

我们还发现在底层结构中，跟上文一样，经过 __block修饰后的变量被 block捕获后，是将对象包装在一个新的结构体 __Block_byref_person_0中。不一样的地方是结构体内添加了内存管理的两个函数 __Block_byref_id_object_copy和 __Block_byref_id_object_dispose

__block修饰对象类型变量后block底层结构.png

我们来回顾一下在上一篇文章中讲到的block内部的内存管理：当blcok被执行copy操作，复制到堆区时，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函数会对变量进行强引用。

当block被copy到堆上时，block内部引用的变量也会被复制到堆上，并且持有变量。如下图所示：

block执行copy操作.png

当 block从堆中移除时，就会调用 dispose函数，也就是 __main_block_dispose_0函数， __main_block_dispose_0函数内部会调用 _Block_object_dispose函数，会自动释放引用的变量。

上文讲到，block内部捕获经__block关键字修饰的变量a，在block底层结构体__main_block_impl_0中的__Block_byref_a_0类型的结构体存在__Block_byref_a_0类型的指针__forwarding。__forwarding指针指向自己本身，即__Block_byref_age_0结构体。

__forwarding指针指向.png

__forwarding的作用是：当block被复制到堆中时，栈中的__Block_byref_age_0结构体也会被复制到堆中，而此时栈中的__Block_byref_age_0结构体中的__forwarding指针指向的就是堆中的__Block_byref_age_0结构体，堆中__Block_byref_age_0结构体内的__forwarding指针依然指向自己。

block复制到堆后__forwarding指针指向.png

所以当我们修改变量时，系统会通过 __forwarding指针将修改的变量赋值在堆中的__Block_byref_age_0中。

block内部修改变量的代码.png

我们继续分析上文讲到的__block修饰的对象类型变量在底层结构体中新增加的两个函数：void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);和void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);。这两个函数为__block修饰的对象提供了内存管理的操作。void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);和void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);赋值的分别为__Block_byref_id_object_copy_131和__Block_byref_id_object_dispose_131首先我们看一下这两个函数的实现：

__block修饰的对象类型变量的内存管理函数.png

从源码中可以发现 __Block_byref_id_object_copy_131函数中同样调用了 _Block_object_assign函数，而 _Block_object_assign函数内部拿到 dst指针即 block对象自己的地址值加上40个字节。并且 _Block_object_assign最后传入的参数是131。
我们计算一下 __Block_byref_person_0结构体占用内存空间大小：

__Block_byref_person_0结构体占用内存.png

__Block_byref_person_0结构体占用的空间为48个字节。而在 __main_block_copy_0函数中传入的参数中有参数8，8+40=48，那么说明 __Block_byref_id_object_copy_131函数传入的参数 dst就是 __Block_byref_person_0结构体，也就是我们声明的 person对象的指针。
那么我们可以得出结论：

copy函数会将person地址传入_Block_object_assign函数，_Block_object_assign中对person对象进行强引用或者弱引用。

当然，当block从堆中移除时，会调用dispose函数，block中放弃对__Block_byref_person_0结构体的引用，__Block_byref_person_0结构体中也会调用dispose操作放弃对person对象的引用，保证结构体和结构体内部的对象可以正常释放。

block的循环引用问题

我们先来看一段代码，声明一个Person类，有age和block两个属性，在Person类的dealloc方法中打印方法名。并在main函数中编写：

循环引用测试代码.png

这段代码有没有问题呢？
答案是有问题，打印只会输出 18和 程序执行完毕，并没有打印 Person类的 dealloc方法名。也就是说，我们在 main函数中声明的 person对象没有被释放。

原因就是这段代码产生了循环引用。person对象强引用着block，block内部强引用了person对象，程序结束时，两者都不会被释放，这就造成了内存泄漏。

系统为我们提供了几种方案来解决循环引用问题：

1、__weak

__weak不会产生强引用，指向的对象销毁时，会自动将指针置为nil。

使用__weak修饰person对象，block内部将指针变为弱指针。block对person对象为弱引用，就不会出现相互引用、不会被释放了。

2、__unsafe_unretained

在MRC环境下，是不支持__weak的，可以用__unsafe_unretained来修饰对象。
__unsafe_unretained同样不会产生强引用，但是指向的对象销毁时，指针存储的地址值不变，所以不安全。

3、__block

__block同样也可以解决循环引用问题。前提是必须调用执行block，并且在block内部手动将person对象置为nil。
原因就是在__block修饰了person对象之后，block内部引用的person对象其实是底层结构体中__Block_byref_person_0内部的person对象，那么当person对象置为nil也就断开了__Block_byref_person_0结构体对person的强引用，从而循环引用也就不存在了。

结语

至此，我们通过两篇文章的研究完成了对block的底层探索，相信大家对block的底层也有了一定的掌握。文中很多例子大家自己亲手实践一遍，会对底层有一个更深刻的理解。如果你在阅读或者测试过程中遇到什么问题，欢迎来留言交流！

更多技术知识请关注公众号
iOS进阶

iOS进阶.jpg