iOS底层原理 - Block本质探究

Posted 2022-08-05 极客学伟

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;

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;

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;
;

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;

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);
        

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;

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;
  

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;

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;
  
;

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]);

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

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;

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;

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) 

        ];

  static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^

        );

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;

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;

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;
  
;

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：

.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface XWPerson : NSObject

@property (nonatomic, assign) NSInteger age;

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

@end

.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

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;
  
;

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;

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;