深入理解 Block

• Block 是 C 语言的扩充功能
• Block 是带有自动变量(局部变量)的匿名函数

本质

• Block 是一个 Objc 对象

底层实现

下面我将通过一个简单的例子，结合源代码进行介绍

int main(int argc, const char * argv[]) {
    void (^blk)(void) = ^{ printf("Hello Block\n"); };
    blk();
    return 0;
}
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使用 clang -rewrite-objc main.m ，我们可以将 Objc 的源码转成 Cpp 的相关源码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // Block 的创建
    void (*blk)(void) =
        (void (*)(void))&__main_block_impl_0(
            (void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    
    // Block 的使用
    ((void (*)(struct __block_impl *))(
        (struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);
    return 0;
}
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由上面的源码，我们能猜想到:

__main_block_impl_0
FuncPtr

从这里为切入点看看上面提到的都是啥

Block 的数据结构

Block 的真身:

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    // 省略了构造函数
};
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• Block 其实不是一个匿名函数，他是一个结构体
• __main_block_impl_0 名字的命名规则: __所在函数_block_impl_序号

impl 变量的数据结构

__main_block_impl_0 的主要数据:

struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
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• isa 指针: 体现了 Block 是 Objc 对象的本质 。
• FuncPtr 指针: 其实就是一个函数指针，指向所谓的匿名函数。

Desc 变量的数据结构

__main_block_desc_0 中放着 Block 的描述信息

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)
};
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"匿名函数"

__main_block_impl_0 即 Block 创建时候使用到了 __main_block_func_0 正是下面的函数:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("Hello Block\n");
}
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• 这部分和 ^{ printf("Hello Block\n"); } 十分相似，由此可看出: 通过 Blocks 使用的匿名函数实际上被作为简单的 C 语言函数来处理
• 函数名是根据 Block 语法所属的函数名(此处 main )和该 Block 语法在函数出现的顺序值(此处为 0)来命名的。
• 函数的参数 __cself 相当于 C++ 实例方法中指向实例自身的变量 this ，或是 Objective-C 实例方法中指向对象自身的变量 self ，即参数 __cself 为指向 Block 的变量。
• 上面的 (*blk->impl.FuncPtr)(blk); 中的 blk 就是 __cself

介绍了基本的数据结构，下面到回到一开始的 main 函数，看看 Block 具体的使用

Block 的创建

void (*blk)(void) =
        (void (*)(void))&__main_block_impl_0(
            (void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
/** 去掉转换的部分
 struct __main_block_impl_0 tmp =
     __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
 struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
*/
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• void (^blk)(void) 就是是一个 struct __main_block_impl_0 *blk
• Block 表达式的其实就是通过 所谓的匿名函数 __main_block_func_0 的函数指针 创建一个 __main_block_impl_0 结构体，我们用的时候是拿到了这个结构体的指针。

Block 的使用

((void (*)(struct __block_impl *))(
        (struct __block_impl *)blk)->FuncPtr)((struct __block_impl *)blk);
/** 去掉转换的部分
 (*blk->impl.FuncPtr)(blk);
*/
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• Block 真正的使用方法就是使用 __main_block_impl_0 中的函数指针 FuncPtr
• (blk) 这里是传入自己，就是给 _cself 传参

Block 的类型

从 Block 中的简单实现中，我们从 isa 中发现 Block 的本质是 Objc 对象，是对象就有不同类型的类。因此，Block 当然有不同的类型

在 Apple 的 libclosure-73 中的 data.c 上可见， isa 可指向:

void * _NSConcreteStackBlock[32] = { 0 }; // 栈上创建的block
void * _NSConcreteMallocBlock[32] = { 0 }; // 堆上创建的block
void * _NSConcreteAutoBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteFinalizingBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteGlobalBlock[32] = { 0 }; // 作为全局变量的block
void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32] = { 0 };
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其中我们最常见的是:

Block的类型	名称	行为	存储位置
_NSConcreteStackBlock	栈Block	捕获了局部变量	栈
_NSConcreteMallocBlock	堆Block	对栈Block调用copy所得	堆
_NSConcreteGlobalBlock	全局Block	定义在全局变量中	常量区（数据段）

PS:内存五大区：栈、堆、静态区（BSS 段）、常量区（数据段）、代码段

关于 copy 操作

对象有 copy 操作，Block 也有 copy 操作。不同类型的 Block 调用 copy 操作，也会产生不同的复制效果：

Block的类型	副本源的配置存储域	复制效果
_NSConcreteStackBlock	栈	从栈复制到堆
_NSConcreteGlobalBlock	常量区（数据段）	什么也不做
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用计数增加

栈上的 Block 复制到堆上的时机

• 调用 Block 的 copy 实例方法

编译器自动调用 _Block_copy 函数情况

id

PS:在 ARC 环境下，声明的 Block 属性用 copy 或 strong 修饰的效果是一样的，但在 MRC 环境下用 copy 修饰。

捕获变量

基础类型变量

以全局变量、静态全局变量、局部变量、静态局部变量为例:

int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int val = 3;
    static int static_val = 4;
    
    void (^blk)(void) = ^{
        printf("global_val is %d\n", global_val);
        printf("static_global_val is %d\n", static_global_val);
        printf("val is %d\n", val);
        printf("static_val is %d\n", static_val);
    };
    
    blk();
    
    return 0;
}
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转换后“匿名函数”对应的代码:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int val = __cself->val; // bound by copy
    int *static_val = __cself->static_val; // bound by copy

    printf("global_val is %d\n", global_val);
    printf("static_global_val is %d\n", static_global_val);
    printf("val is %d\n", val);
    printf("static_val is %d\n", (*static_val));
}
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• 全局变量、静态全局变量 : 作用域为全局，因此在 Block 中是直接访问的。
• 局部变量 : 生成的 __main_block_impl_0 中存在 val 实例，因此对于局部变量，Block 只是单纯的复制创建时候 局部变量的瞬时值 ，我们可以使用值，但不能修改值。

struct __main_block_impl_0 {
  // ...
  int val; // 值传递
  // ...
};
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• 静态局部变量 : 生成的 __main_block_impl_0 中存在 static_val 指针，因此 Block 是在创建的时候获取 静态局部变量的指针值 。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    int *static_val; // 指针传递
    // ...
};
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对象类型变量

模仿基础类型变量，实例化四个不一样的 SCPeople 变量:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // 省略初始化
    [globalPeople introduce];
    [staticGlobalPeople introduce];
    [people introduce];
    [staticPeople introduce];
    
    return 0;
}
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转换后"匿名函数"对应的代码:

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    SCPeople *people = __cself->people; // bound by copy
    SCPeople **staticPeople = __cself->staticPeople; // bound by copy

    // 省略 objc_msgSend 转换
    [globalPeople introduce];
    [staticGlobalPeople introduce];
    [people introduce];
    [*staticPeople introduce];
}
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• 全局对象、静态全局对象 : 作用域依然是全局，因此在 Block 中是直接访问的。
• 局部对象 : 生成的 __main_block_impl_0 中存在 people 指针实例，因此 Block 获取的是 指针瞬间值 ，我们可以在 Block 中通过指针可以操作对象，但是不能改变指针的值。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    SCPeople *people;
    // ...
};
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• 静态局部对象 : 生成的 __main_block_impl_0 中存在 staticPeople 指针的指针，因此 Block 是在创建的时候获取 静态局部对象的指针值 (即指针的指针)。

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    SCPeople **staticPeople;
    // ...
};
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小结

通过对基础类型、对象类型与四种不同的变量进行排列组合的小 Demo，不难得出下面的规则:

变量类型	是否捕获到 Block 内部	访问方式
全局变量	否	直接访问
静态全局变量	否	直接访问
局部变量	是	值访问
静态局部变量	是	指针访问

PS:

• 基础类型和对象指针类型其实是一样的，只不过指针的指针看起来比较绕而已。
• 全局变量与静态全局变量的存储方式、生命周期是相同的。但是作用域不同，全局变量在所有文件中都可以访问到，而静态全局变量只能在其申明的文件中才能访问到。

变量修改

上面的篇幅通过底层实现，向大家介绍了 Block 这个所谓"匿名函数"是如何捕获变量的，但是一些时候我们需要修改 Block 中捕获的变量:

修改全局变量或静态全局变量

全局变量与静态全局变量的作用域都是全局的，自然在 Block 内外的变量操作都是一样的。

修改静态局部变量

在上面变量捕获的章节中，我们得知 Block 捕获的是静态局部变量的指针值，因此我们可以在 Block 内部改变静态局部变量的值(底层是通过指针来进行操作的)。

修改局部变量

使用 __block 修饰符来指定我们想改变的局部变量，达到在 Block 中修改的需要。

我们用同样的方式，通过底层实现认识一下 __block ，举一个:chestnut::

__block int val = 0;
void (^blk)(void) = ^{ val = 1; };
blk();
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经过转换的代码中出现了和单纯捕获局部变量不同的代码:

__Block_byref_val_0 结构体

struct __Block_byref_val_0 {
    void *__isa; // 一个 Objc 对象的体现
    __Block_byref_val_0 *__forwarding; // 指向该实例自身的指针
    int __flags;
    int __size;
    int val; // 原局部变量
};
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• 编译器会将 __block 修饰的变量包装成一个 Objc 对象。

val 转换成 __Block_byref_val_0

__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_val_0 val = {
    (void*)0,
    (__Block_byref_val_0 *)&val,
    0,
    sizeof(__Block_byref_val_0),
    0
};
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__main_block_impl_0 捕获的变量

struct __main_block_impl_0 {
    // ...
    __Block_byref_val_0 *val; // by ref
    // ...
};
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• Block的 __main_block_impl_0 结构体实例持有指向 __block 变量的 __Block_byref_val_0 结构体实例的指针。
• 这个捕获方式和捕获静态局部变量相似，都是指针传递

"匿名函数"的操作

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;
}
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(val->__forwarding->val) 解释

• 左边的 val 是 __main_block_impl_0 中的 val ，这个 val 通过 __block int val 的地址初始化
• 右边的 val 是 __Block_byref_val_0 中的 val ，正是 __block int val 的 val
• __forwarding 在这里只是单纯指向了自己而已

  

__forwarding 的存在意义

上面的"栈Blcok"中 __forwarding 在这里只是单纯指向自己，但是在当"栈Blcok"复制变成"堆Block"后， __forwarding 就有他的存在意义了:

PS: __block

修饰符不能用于修饰全局变量、静态变量。

内存管理

Block 与对象类型

copy & dispose

众所周知，对象其实也是使用一个指针指向对象的存储空间，我们的对象值其实也是指针值。虽然是看似对象类型的捕获与基础类型的指针类型捕获差不多，但是捕获对象的转换代码比基础指针类型的转换代码要多。 ( __block 变量也会变成一个对象，因此下面的内容也适用于 __block 修饰局部变量的情况) 。多出来的部分是与内存管理相关的 copy 函数与 dispose 函数:

底层实现

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

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {
    _Block_object_dispose((void*)src->people, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
    _Block_object_dispose((void*)src->staticPeople, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}
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这两个函数在 Block 数据结构存在于 Desc 变量中:

static struct __main_block_desc_0 {
  // ...
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
}; // 省略了初始化好的结构体
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函数调用时机

函数	调用时机
copy 函数	栈上的 Block 复制到堆时
dispose 函数	堆上的 Block 被废弃时

函数意义

• copy 函数中的 _Block_object_assign 函数相当于内存管理中的 retain 函数，将对象赋值在对象类型的结构体成员变量中。
• dispose 函数中的 _Block_object_dispose 函数相当于内存管理中的 release 函数，释放赋值在对象类型的结构体变量中的对象。
• 通过 copy 和 dispose 并配合 Objc 运行时库对其的调用可以实现内存管理

※ 例子

当 Block 内部访问了对象类型的局部变量时:

• 当 Block 存储在栈上时 : Block 不会对局部变量产生强引用。
• 当 Block 被 copy 到堆上时 : Block 会调用内部的 copy 函数， copy 函数内部会调用 _Block_object_assign 函数， _Block_object_assign 函数会根据局部变量的修饰符( __strong 、 __weak 、 __unsafe_unretained )作出相应的内存管理操作。(注意: 多个 Block 对同一个对象进行强引用的时，堆上只会存在一个该对象)
• 当 Block 从堆上被移除时 : Block 会调用内部的 dispose 函数， dispose 函数内部会调用 _Block_object_dispose 函数， _Block_object_dispose 函数会自动 release 引用的局部变量。(注意: 直到被引用的对象的引用计数为 0，这个堆上的该对象才会真正释放)

PS:对于 __block 变量，Block 永远都是对 __Block_byref_局部变量名_0 进行强引用。如果 __block 修饰符背后还有其他修饰符，那么这些修饰符是用于修饰 __Block_byref_局部变量名_0 中的 局部变量 的。

现象:Block 中使用的赋值给附有 __strong 修饰符的局部变量的对象和复制到堆上的 __block 变量由于被堆的 Block 所持有，因而可超出其变量作用域而存在。

循环引用

由于 Block 内部能强引用捕获的对象，因此当该 Block 被对象强引用的时候就是注意以下的引用循环问题了:

ARC 环境下解决方案

1. 弱引用持有：使用 __weak 或 __unsafe_unretained 捕获对象解决

   

   • weak 修饰的指针变量，在指向的内存地址销毁后，会在 Runtime 的机制下，自动置为 nil 。
   • _unsafe_unretained 不会置为 nil ，容易出现悬垂指针，发生崩溃。但是 _unsafe_unretained 比 __weak 效率高。

2. 使用 __block 变量 ：使用 __block 修饰对象，在 block 内部用完该对象后，将 __block 变量置为 nil 即可。虽然能控制对象的持有期间，并且能将其他对象赋值在 __block 变量中，但是必须执行该 block。（意味着这个对象的生命周期完全归我们控制）

   

MRC 环境下解决方案

1. 弱引用持有：使用 __unsafe_unretained 捕获对象
2. 直接使用 __block 修饰对象，无需手动将对象置为 nil ，因为底层 _Block_object_assign 函数在 MRC 环境下对 block 内部的对象不会进行 retain 操作。

MRC 下的 Block

ARC 无效时，需要手动将 Block 从栈复制到堆，也需要手动释放 Block

• 对于栈上的 Block 调用 retain 实例方法是不起作用的
• 对于栈上的 Block 需要调用一次 copy 实例方式(引用计数+1)，将其配置在堆上，才可继续使用 retain 实例方法
• 需要减少引用的时候，只需调用 release 实例方法即可。
• 对于在 C 语言中使用 Block，需要使用 Block_copy 和 Block_release 代替 copy 和 release 。