黑幕背后的__block修饰符

原文地址：http://chun.tips/blog/2014/11/13/hei-mu-bei-hou-de-blockxiu-shi-fu/

我们知道在Block使用中，Block内部能够读取外部局部变量的值。但我们需要改变这个变量的值时，我们需要给它附加上__block修饰符。

__block另外一个比较多的使用场景是，为了避免某些情况下Block循环引用的问题，我们也可以给相应对象加上__block 修饰符。

为什么不使用__block就不能在Block内部修改外部的局部变量？

我们把以下代码通过 clang -rewrite-objc 源代码文件名重写：

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

得到如下代码:

struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; int val; __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _val, int flags=0) : val(_val) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; } }; static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) { int val = __cself->val; // bound by copy NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__val_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_41daf1_mi_0, val); } 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, const char * argv[]) { /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; int val = 10; void (*block)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val); ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block); } return 0; } 

我们注意到Block实质被转换成了一个__main_block_impl_0的结构体实例，其中__main_block_impl_0结构体的成员包括局部变量val。在__main_block_impl_0结构体的构造方法中，val作为第三个参数传递进入。

但执行我们的Block时，通过block找到Block对应的方法执行部分__main_block_func_0，并把当前block作为参数传递到__main_block_func_0方法中。

__main_block_func_0的第一个参数声明如下：

struct __main_block_impl_0 *__cself 

它和Objective－C的self相同，不过它是指向 __main_block_impl_0 结构体的指针。

这个时候我们就可以通过__cself->val对该变量进行访问。

那么，为什么这个时候不能给val进行赋值呢？

因为main函数中的局部变量val和函数__main_block_func_0不在同一个作用域中，调用过程中只是进行了值传递。当然，在上面代码中，我们可以通过指针来实现局部变量的修改。不过这是由于在调用__main_block_func_0时，main函数栈还没展开完成，变量val还在栈中。但是在很多情况下，block是作为参数传递以供后续回调执行的。通常在这些情况下，block被执行时，定义时所在的函数栈已经被展开，局部变量已经不在栈中了（block此时在哪里？），再用指针访问就……

所以，对于auto类型的局部变量，不允许block进行修改是合理的。

__block 到底是怎么工作的?

我们把以下代码通过 clang -rewrite-objc 源代码文件名重写：

int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { __block NSInteger val = 0; void (^block)(void) = ^{ val = 1; }; block(); NSLog(@"val = %ld", val); } return 0; } 

可得到如下代码：

struct __Block_byref_val_0 { void *__isa; __Block_byref_val_0 *__forwarding; int __flags; int __size; NSInteger val; }; struct __main_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __main_block_desc_0* Desc; __Block_byref_val_0 *val; // by ref __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_val_0 *_val, int flags=0) : val(_val->__forwarding) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; } }; 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; } static void __main_block_copy_0 (struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) { _Block_object_assign((void*)&dst->val, (void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/); } static void __main_block_dispose_0 (struct __main_block_impl_0*src) { _Block_object_dispose((void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/); } 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*); } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0}; int main(int argc, const char * argv[]) { { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_val_0 val = {(void*)0,(__Block_byref_val_0 *)&val, 0, sizeof(__Block_byref_val_0), 0}; void (*block)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_val_0 *)&val, 570425344); ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block); NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__val_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_d7fc4b_mi_0, (val.__forwarding->val)); } return 0; } 

我们发现由__block修饰的变量变成了一个__Block_byref_val_0结构体类型的实例。该结构体的声明如下：

struct __Block_byref_val_0 { void *__isa; __Block_byref_val_0 *__forwarding; int __flags; int __size; NSInteger val; }; 

注意到这个结构体中包含了该实例本身的引用 __forwarding。

我们从上述被转化的代码中可以看出 Block 本身也一样被转换成了 __main_block_impl_0 结构体实例，该实例持有__Block_byref_val_0结构体实例的指针。

我们再看一下赋值和执行部分代码被转化后的结果：

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; } ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block); 

我们从__cself找到__Block_byref_val_0结构体实例，然后通过该实例的__forwarding访问成员变量val。成员变量val是该实例自身持有的变量，指向的是原来的局部变量。如图所示:

上面部分我们展示了__block变量在Block查看和修改的过程，那么问题来了：

• 当block作为回调执行时，局部变量val已经出栈了，这个时候代码为什么还能正常工作呢?
• 我们为什么是通过成员变量__forwarding而不是直接去访问结构体中我们需要修改的变量呢? __forwarding被设计出来的原因又是什么呢?

存储域

通过上面的描述我们知道Block和__block变量实质就是一个相应结构体的实例。我们在上述转换过的代码中可以发现 __main_block_impl_0 结构体构造函数中， isa指向的是 _NSConcreteStackBlock。Block还有另外两个与之相似的类:

• _NSConcreteStackBlock 保存在栈中的block，出栈时会被销毁
• _NSConcreteGlobalBlock 全局的静态block，不会访问任何外部变量
• _NSConcreteMallocBlock 保存在堆中的block，当引用计数为0时会被销毁

上述示例代码中，Block是被设为_NSConcreteStackBlock，在栈上生成。当我们把Block作为全局变量使用时，对应生成的Block将被设为_NSConcreteGlobalBlock，如:

void (^block)(void) = ^{NSLog(@"This is a Global Block");}; int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { block(); } return 0; } 

该代码转换后的代码中，Block结构体的成员变量isa的初始化如下:

 impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock; 

那么_NSConcreteMallocBlock在什么时候被使用呢

分配在全局变量上的Block，在变量作用域外也可以通过指针安全的访问。但分配在栈上的Block，如果它所属的变量作用域结束，该Block就被废弃。同样地，__block变量也分配在栈上，当超过该变量的作用域时，该__block变量也会被废弃。

这个时候_NSConcreteMallocBlock就登场了，Blocks提供了将Block和__block变量从栈上复制到堆上的方法来解决这个问题。将分配到栈上的Block复制到堆上，这样但栈上的Block超过它原本作用域时，堆上的Block还可以继续存在。

复制到堆上的Block，它的结构体成员变量isa将变为:

impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock; 

而_block变量中结构体成员__forwarding就在此时保证了从栈上复制到堆上能够正确访问__block变量。在这种情况下，只要栈上的_block变量的成员变量__forwarding指向堆上的实例，我们就能够正确访问。

我们一般可以使用copy方法手动将 Block 或者 __block变量从栈复制到堆上。比如我们把Block做为类的属性访问时，我们一般把该属性设为copy。有些情况下我们可以不用手动复制,比如Cocoa框架中使用含有usingBlock方法名的方法时，或者GCD的API中传递Block时。

当一个Block被复制到堆上时，与之相关的__block变量也会被复制到堆上，此时堆上的Block持有相应堆上的__block变量。当堆上的__block变量没有持有者时，它才会被废弃。(这里的思考方式和objc引用计数内存管理完全相同。)

而在栈上的__block变量被复制到堆上之后，会将成员变量__forwarding的值替换为堆上的__block变量的地址。这个时候我们可以通过以下代码访问:

val.__forwarding->val 

如下面:

__block变量和循环引用问题

__block修饰符可以指定任何类型的局部变量，上面的转换代码中，有如下代码:

static void __main_block_copy_0 (struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) { _Block_object_assign((void*)&dst->val, (void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/); } static void __main_block_dispose_0 (struct __main_block_impl_0*src) { _Block_object_dispose((void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/); } 

当Block从栈复制到堆时，会使用_Block_object_assign函数持有该变量(相当于retain)。当堆上的Block被废弃时，会使用_Block_object_dispose函数释放该变量(相当于release)。

由上文描述可知，我们可以使用下述代码解除Block循环引用的问题:

__block id tmp = self; void(^block)(void) = ^{ tmp = nil; }; block(); 

通过执行block方法，nil被赋值到_block变量tmp中。这个时候_block变量对 self 的强引用失效，从而避免循环引用的问题。使用__block变量的优点是:

• 通过__block变量可以控制对象的生命周期
• 在不能使用__weak修饰符的环境中，我们可以避免使用__unsafe_unretained修饰符
• 在执行Block时可动态地决定是否将nil或者其它对象赋值给__block变量

但是这种方法有一个明显的缺点就是，我们必须去执行Block才能够解除循环引用问题，否则就会出现问题