#iOS底层原理 - Block本质探究
本质
block 本质是一个OC对象，也存在 isa 指针。或者说Block 是封装了函数调用和函数调用环境的OC对象。
1.底层实现
编写一段最简单的OC代码顶一个block，代码如：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
int abc = 10086;
void(^block)(int number) = ^(int number) {
NSLog(@"%d",number);
};
}
return 0;
}
复制代码使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令将其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 abc = 10086;
void(*block)(int number) = ((void (*)(int))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
}
return 0;
}
复制代码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;
}
};
复制代码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;
};
复制代码包含isa指针说明，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;
}
复制代码其中： Block_size 为当前block 占用内存大小。
__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);
}
复制代码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 abc = 10086;
void(^block)() = ^() {
NSLog(@"%d",abc);
};
abc = 10010;
block();
}
return 0;
}
复制代码在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abc，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，abc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 abc;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _abc, int flags=0) : abc(_abc) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
}
复制代码static 变量
因为我们所定义的外部变量 abc 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 abc = 10086;
static int def = 100;
void(^block)(void) = ^() {
NSLog(@"abc: %d - def: %d",abc,def);
};
abc = 10010;
def = 200;
block();
}
return 0;
}
复制代码转化为c++底层实现为：
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
int abc;
int *def;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _abc, int *_def, int flags=0) : abc(_abc), def(_def) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
复制代码使用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
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。所以捕获就没有意义了，感兴趣的可以自行查看底层实现。
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]);
复制代码输出：
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
Program ended with exit code: 0
复制代码故我们可得出结论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;
}
复制代码输出：
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__
复制代码我们可以得出结论，
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，便于程序员管理，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 testFunc() {
int a = 10;
MyBlock myBlock = ^ {
NSLog(@"test --- %d",a);
};
return myBlock;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
MyBlock myB = testFunc();
NSLog(@"%@",[myB class]);
}
return 0;
}
复制代码如果此代码在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 abc = 10;
MyBlock myB = ^ {
NSLog(@"+++ %d",abc);
};
NSLog(@"%@",[myB class]);
}
return 0;
}
复制代码如上代码，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
例如：
NSArray *array = @[@1];
[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) {
}];
复制代码 static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
});
复制代码所以在 MAC 环境下的block属性必须使用 copy 修饰，而ARC环境下的block属性即可使用 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 {
{
XWPerson *person = [[XWPerson alloc] init];
person.age = 10;
^{
NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
}();
}
NSLog(@"*******");
}
return 0;
}
复制代码会发现当 函数体内 大括号执行完毕后 XWPerson 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;
{
XWPerson *person = [[XWPerson alloc] init];
person.age = 10;
myBlock = ^{
NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
};
myBlock();
}
NSLog(@"*******");
}
return 0;
}
复制代码我们会发现在执行到 **** 时，person 对象依然没有被释放，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;
XWPerson *__strong person;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, XWPerson *__strong _person, int flags=0) : person(_person) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
复制代码其中 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*);
}
复制代码较之前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*/);}
复制代码方法。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*/);}
复制代码方法，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;
}
复制代码使用 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;
}
};
复制代码我们可知 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;
};
复制代码此时在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};
复制代码其中 __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;
复制代码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：
.h
#import
@interface XWPerson : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@property (nonatomic, copy) void(^personBlock)(void);
@end
复制代码 .m
#import "XWPerson.h"
@implementation XWPerson
- (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 {
NSLog(@" XWPerson -- dealloc -- age:%ld",(long)_age);
}
@end
复制代码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 __XWPerson__test_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __XWPerson__test_block_desc_0* Desc;
XWPerson *const __strong self;
__XWPerson__test_block_impl_0(void *fp, struct __XWPerson__test_block_desc_0 *desc, XWPerson *const __strong _self, int flags=0) : self(_self) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
复制代码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 {
XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];
person1.age = 18;
__weak typeof(person1) weakPerson = person1;
person1.personBlock = ^{
NSLog(@"%ld",(long)weakPerson.age);
};
person1.personBlock();
}
return 0;
}
复制代码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 XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];
3. (ARC / MRC 环境下) __block : 使用__block 修饰对象. 在ARC环境下-前提是一定要调用此block，并且要在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 XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];
person1.age = 18;
person1.personBlock = ^{
NSLog(@"%ld",(long)person1.age);
person1 = nil;
};
person1.personBlock();
}
return 0;
}
复制代码