『iOS』Block 梳理与疑问
时隔一年，再次读 《Objective-C 高级编程》，看到 block 一章，这一次从头至尾的跟着编译了一次，理清楚了很多之前不理解的地方，但是也同时多出了许多疑问。本文是在和学渣裙的朋友们分享以后的梳理笔记，有问题欢迎指出，如果能解决最后的几个小疑问，就更好了。
环境信息
macOS 10.12.1
Xcode 8.2.1
iOS 10.12
一个最基本的 block
Block 编译后，有两个最为重要的部分，impl 结构体 与 desc 结构体指针。我们从最为简单基础的开始：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
// 定义一个参数列表与返回值均为空的 block
dispatch_block_t block = ^{
// 仅输出一句话
NSLog(@"123");
};
// 调用
block();
}
return 0;
}
使用 clang -rewrite-objc xxx.m
命令，编译后（已删除一些影响阅读的字符，用 xxx 代替）：
// block 结构体
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl; // 实现
struct __main_block_desc_0* Desc; // 描述
// 在定义 block 时，所调用的 block 初始化方法
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; // block 的类型(之后会谈到)
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp; // block 实现编译后的函数指针
Desc = desc; // 描述信息
}
};
// block 的描述
static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size; // block 所占的内存大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)}; // block 描述的初始化方法，可以看出这里的大小计算，仅仅是进行了 sizeof
// block 实现编译过后的函数
// 即在 block 初始化方法中，赋值给 impl.FuncPtr 的函数指针
// 参数 cself 是 __main_block_impl_0 类型，即与 block 类型相同，其实这里的参数，本身就是 block 自己
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
// 输出
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_xxx_main_c44db5_mi_0);
}
// main 函数
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
// block 的定义
// 可以看出，在 block 定义的时候，就调用了 __main_block_impl_0，即 block 的构造方法
// 传的参数分别为 __main_block_func_0，即 block 对应的编译后的实现函数
// __main_block_desc_0_DATA，即 block 描述
dispatch_block_t block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
// block 的调用
// 这里也可以看出，block 的调用即是调用了，初始化时拿到的 FuncPtr 函数指针
// FuncPtr 函数有一个参数，即传入的 block 自身
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;
}
block 内存结构
通过编译后得到的 block 结构体，能大致看出，在没有引用外部变量的 block 是这样的：
-
struct __block_impl impl; -
struct __main_block_desc_0 *Desc;
此时的内存结构如下：
isa 指针
在 block 调用构造方法时，编译器已经自动给 isa 指针赋了初值。我们知道，isa 指针其实很形象，就称作 is a
，在 OC 中表达了对象是什么类型，类所属哪个元类，其实 block 也是对象，所以它的 isa 指针也是说明它是什么的。如果直接打印 block，则可看到以下三种情况：
- <__NSStackBlock__: 0x1000010c0>，存储在 栈 上的 block
- <__NSMallocBlock__: 0x1000010c0>，存储在 堆 上的 block
- <__NSGlobalBlock__: 0x1000010c0>，存储在 全局区 的 block
但是你会发现，如果直接打印上面我们所写的 block，输出的是 __NSGlobalBlock__
类型，而我们看到的编译代码，明明是 stack 的。这是因为 block 的存储区域，与定义在什么位置、是否引用外部变量、是否作为范围值、是被哪种类型的变量所接收等等情况相关，这个会在下一小节谈到。
引用外部变量的 block
之前介绍了一个空（并为引用变量）的 block，下面来看一个稍微复杂一点的：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
// 定义局部变量 a
int a = 10;
// 定义 block
dispatch_block_t block = ^{
// 输出 a 变量
NSLog(@"%d", a);
};
// 调用 block
block();
}
return 0;
}
在学习 block 的基础知识时，就知道，此时如果在 block 定义之后，去修改 a
的值，block 中的输出依然不会改变，我们来看一下为什么。
编译文件：
// 下面仅标注了有变化的变量
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
int a; // 在 block 结构体中，多了一个名为 a 的变量
// block 构造方法也多了一个 _a 参数
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
// 描述依然没有变，size 是直接计算的 __main_block_impl_0
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)};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
// 在 block 的实现函数中，访问 block 结构体中的 a 变量，并且编译器在此还说明了是 bound by copy，即值拷贝
int a = __cself->a; // bound by copy
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_xxx_0, a);
}
从编译代码可以看出，在 block 定义时，就传入了 block 内部需要用到的 a
变量的 值
，而 并不是引用
，所以即使在 block 定义之后， a
变量怎么变，之前 block 所有的 a
的瞬时值，是没有变化的。
此时，block 的内存结构为：
多出了捕获的变量 a
的存储空间，并且，捕获的变量会接在 Desc 内存后面。
被 __block
修饰的外部变量
如果没有 __block
修饰，除了在 block 定义之后，就不能拿到变量最新的值以外，我们还不能对变量进行重新赋值（如果是堆上的内存，就是改变地址，即 NSMutableArray
是可以 addObject
的，只是不能 array = @[]
）。那么，想要解决这两个问题，我们就需要引入 __block
修饰符：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
// 定义变量 a，并使用 __block 修饰
__block int a = 10;
dispatch_block_t block = ^{
// 输出 a
NSLog(@"%d", a); // 输出 100
// 在 block 内部对 a 重新赋值
a = 50;
};
// 在 block 定义后，对 a 重新赋值
a = 100;
// 调用 block
block();
// 输出 a
NSLog(@"%d", a); // 输出 50
}
return 0;
}
这一次，编译后的代码变得很复杂了：
// block 结构体
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
// 比起没有被 __block 修饰的变量(编译后，block 中是 int a)，这里 block 却不是简单的拿到 a 地址，即 int *a，而是一个类型为 __Block_byref_a_0 的结构体指针
__Block_byref_a_0 *a; // by ref
// 构造方法多出的参数也变成了，__Block_byref_a_0 结构体指针，并且 a 的值是 a->__forwarding，这个 __forwarding 指针的作用，会在之后介绍
__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;
}
};
// a 变量的结构体定义
struct __Block_byref_a_0 {
void *__isa; // isa 指针
__Block_byref_a_0 *__forwarding; // 类型与 a 变量一模一样的 __forwarding 结构体指针
int __flags;
int __size;
int a; // a 真正的值
};
// block 描述
static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
// 这是比起以前，多出的两个函数指针，一个 copy，一个 dispose
// 这也是 block 中尤为重要的两个函数
// copy 负责将 block 复制到堆
// dispose 负责在 block 释放时，释放 block 所持有的内存
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};
// block 实现
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
// 访问到 block 中的 a 结构体指针变量
__Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref
// 输出
// 可以看到，这里访问的 a 的值，是通过 __forwarding 指针访问的，包括之后的赋值，也是用的 __forwarding
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_xxx_0, (a->__forwarding->a));
// 将 a 的值重新赋为 50
(a->__forwarding->a) = 50;
}
// copy 函数
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {
// 使用 _Block_object_assign 函数进行拷贝
_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
}
// dispose 函数
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {
_Block_object_dispose((void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
// 初始化 a 的结构体变量
// 传入的参数分别是:
// isa: void *0;
// __forwarding: &a，即 a 结构体变量的地址
// __flags: 0
// __size: sizeof(结构体)
// a: 10，即 a 的值
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};
// block 定义
dispatch_block_t block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344));
// 对 a 变量赋值
(a.__forwarding->a) = 100;
// block 的调用
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
// 输出 a
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_xxx_1, (a.__forwarding->a));
}
return 0;
}
经过了这一坨编译后代码的理解，现在已经脑子已经是一团糨糊了，莫名多出的结构体、 __forwarding
指针，copy 与 dispose 函数无一不在提高理解的门槛。代码都看得懂，但是就是不知道这样做的目的，下面我们便来将多出的东西，重新整理一次，然后注意理解：
- 现在的 block 内存结构是怎样的？
-
为什么
a被__block修饰以后，就变成了__Block_byref_a_0结构体？ -
多出的
__forwarding指针是什么？ -
为什么之后无论是在 block 内部，还是在 block 外部，访问
a都变成了a->__forwarding->a？ - 既然定义了 copy 与 dispose 函数，为什么没有看到显式调用？如果是隐式调用，那么调用时机是什么时候？
-
多个 block 对
__block int a = 10;进行使用，指针会怎样指向？
当前的 block 内存结构
从 main 函数中 _Block_byref_a_0
的初始化可以看出，给 __forwarding
指针赋的值就是 (__Block_byref_a_0 *)&a
，所以 __forwarding
指针是同样是指向 a
结构体变量本身的。
为什么在 block 中的变量，超出作用域还能使用
在全局区或者是栈上的 block，我们并不能控制它的释放时机，但是如果 block 在堆中，就可以由我们来控制了。所以，大多数情况下，比如将 block 作为回调方法等时候，block 一般都是在堆上的。
那么，block 是如何拷贝到堆上的呢？这就和 copy 函数有关了。在 ARC 环境下，如果将 block 声明为：
@property (copy) block; @property (strong) block;
在赋值时，其实都会调用 Block_copy() 函数，将栈上的 block 拷贝到堆中，此时，block 中所持有的变量就都在堆中了，我们通过管理 block 的生命周期，就能间接管理到 block 持有的变量的生命周期。
block 的 copy 时机
那么 block 何时会 copy 到堆上呢？是显式，还是隐式？
显式
-
在作为属性定义时，用
copy和strong修饰； -
手动调用
[block copy]；
隐式
-
赋值给
__strong修饰的变量时。因为 ARC 下，__strong是缺省值，所以只要不是显式标记了__unsafe_unretained或__weak，block 均会被拷贝到堆上； - 作为函数返回值；
- 含有 usingBlock 的 Cocoa 框架中的方法，如枚举器；
- GCD 的 block。
__forwarding
指针存在的意义
在阅读编译代码时可以发现，block 在读写被 __block
标记的变量时，均使用 var->__forwarding->var
来访问。 var
是指针能理解，因为它肯定是对临时变量进行地址引用，要不然也不能获得最新的值。但是为什么要在中间加一个 __forwarding
呢？而且 __forwarding
指针还是指向的自己。
来看一个例子（ARC 下）：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
__block int a = 10;
NSLog(@"1. block 定义之前 a 的地址 : %p", &a);
dispatch_block_t __unsafe_unretained block = ^{
a = 100;
NSLog(@"2. 调用 block 时 a 的地址 : %p", &a);
};
NSLog(@"3. block 定义之后 a 的地址 : %p", &a);
dispatch_block_t heapBlock = block;
NSLog(@"4. block 拷贝到堆上 a 的地址 : %p", &a);
block();
}
return 0;
}
上面的例子中，一共输出了四次 a
的地址。其中，1 和 3 的地址是一样的，2 和 4 的地址是一样。
这里我还对 block 特地标记了 __unsafe_unretained
，防止在定义赋值的时候，就拷贝到堆。而这之后的 heapBlock
则是因为被 __strong
修饰所以将 block 拷贝到了堆。
在 1、3 输出的时候， a
还在栈上，此时的 block 内存为：
而在 block 拷贝到堆上以后， __forwarding
指针则指向堆上的 a
结构体，所以，内存变成了这样：
这样就保证了栈上和堆上的 block，都能访问到同一个 a 变量，这也是 __forwarding
指针的作用。
block 的存储区域
之前谈到 block 根据存储位置不同，可分为三种， 堆 、 栈 、 全局区 。那么这三种 block 是怎样的呢？
-
__NSStackBlock__：block 被定义为临时变量，并且引用了外部变量； -
__NSMallocBlock__：调用了 copy 函数，被拷贝到堆上的 block； -
__NSGlobalBlock__：定义为全局变量，或者临时变量但是没有引用外部变量的 block。
多个 block 对 __block
变量的引用
在 block 引用使用 __block
修饰的外部变量时，编译器去针对这个外部变量生成了结构体，比如我们上面谈到的 __Block_byref_a_0
结构体。
之所以这样做，也是为了能在多个 block 引用时，能够给对 __Block_byref_a_0
进行复用。所以，当多个 block 引用该变量时，并不会重复生成结构体，而是对该结构体内存进行持有，在 block 销毁，调用 dispose 时，对内存进行释放。
循环引用
OC 中的循环引用是一个老生常谈的问题，其中最容易出现循环引用的地方，就是 block。都知道，出现循环引用的原因，是因为两个变量的相互持有，导致谁也无法释放。断开循环引用链，最常见的方式是：
- 在源头断开：一方不持有另一方；
- 通过置空断开：在已经对象使用完毕，需要释放的时候，将一方置空。
根据这两种解决方案，block 解决循环引用对应着两种方式：
-
使用
__weak或者__unsafe_unretained修饰 block 内部要用到的变量。
__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.block = ^{
NSLog(@"%@", weakSelf);
};
self.block();
-
使用
__block修饰变量，然后在 block 调用完毕后，在 block 内部对变量置空。
__block typeof(self) blockSelf = self;
self.block = ^{
NSLog(@"%@", blockSelf);
blockSelf = nil;
};
self.block();
使用第二种方式有一个弊端，就是必须要保证 block 会调用，这样才有机会断开循环引用，否则无法解决问题。当然，也有优点，即可以控制另一方的释放时机，保证不调用，就不会释放。
__weak
与 __strong
通常我们能看到以下写法：
__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.block = ^{
__strong typeof(self) strongSelf = weakSelf;
NSLog(@"%@", strongSelf);
};
self.block();
__weak
的作用我们刚才已经提到了，但是在 block 内部又使用 __strong
标记是为什么？这样会造成循环引用吗？我们来看看 block 实现编译过后的代码：
static void __Test__init_block_func_0(struct __Test__init_block_impl_0 *__cself) {
// 这里变成了值拷贝，而不是指针引用
typeof (self) weakSelf = __cself->weakSelf; // bound by copy
// 虽然是 strong 的，但是是在 block 调用时，才将 self 的值拷贝赋值给临时变量 weakSelf，之后被 strongSelf 引用
// 根据 ARC 的规则，使用 __strong 修饰的变量，出作用域以后，会插入 release 语句，所以在 block 实现结束后，strongSelf 会释放，并不会造成循环引用
__attribute__((objc_ownership(strong))) Test * strongSelf = weakSelf;
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_xxx_0, strongSelf);
}
也是因为 ARC 对 __strong
修饰的变量，出作用域才插入 release 的机制，我们可以知道，之所以在 block 内部使用 __strong
修饰变量，是因为防止在 block 执行过程中，变量被释放的情况。
在 block 中调用的方法含有 self，是否会造成循环引用
再看下面这段代码：
- (void)testBlock {
__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.block = ^{
__strong typeof(self) strongSelf = weakSelf;
// 在 block 实现中，调用了 run 方法，而 run 方法中，又用到了 self
[strongSelf run];
};
self.block();
}
- (void)run {
NSLog(@"%@", self);
}
之前有人问到这个问题，说如果 block 中调用的方法又用到了 self，会造成循环引用吗？想想如果会造成，那岂不是很可怕，好像一直这样写，都没什么问题。那这是为什么呢？
别忘了 OC 是消息机制，发送完消息之后就不管了，所以，并不影响消息的实现。
疑问
虽然能将 block 编译出来看到代码，但是还是有很多疑问的，希望大家能解答一下。
ARC 与 MRC 下，有无 __block
标识，对 block 持有对象的影响
其实这里是四种状态：
-
ARC + 无
__block -
MRC + 无
__block -
ARC + 有
__block -
MRC + 有
__block
首先来看问题 1、2：
- (instancetype)init {
self = [super init];
if (self) {
// 定义一个可变数组 arr
NSMutableArray *arr = [NSMutableArray new];
// 输出 retainCount
NSLog(@"1. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
// 为减少隐式的 __strong 造成拷贝到堆的影响，所以使用 __unsafe_unretained 修饰
__unsafe_unretained dispatch_block_t block = ^{
NSLog(@"%@", arr);
// 输出调用 block 时，arr 的 retainCount
NSLog(@"2. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
};
// 在定义完 block 后，arr 的 retainCount
NSLog(@"3. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 2; MRC: 1
// 显示拷贝到堆
self.block = block;
// 在 block 拷贝到堆以后，arr 的 retainCount
NSLog(@"4. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 3; MRC: 2
// 如果是 MRC，则手动 release
[arr release];
}
return self;
}
// 调用 block
- (void)run {
self.block();
}
可以看到，同样没有使用 __block
修饰，ARC 在 block 定义完以后， arr
的 retainCount 要比 MRC 下多 1，这是因为在 block 的结构体中，所定义的 NSMutableArray *arr
，默认的缺省值是 __strong
，而导致的持有，而 MRC 下，缺省值不是 __strong
造成的。
再来看问题 2、4，还是借助上面的例子，只是在 arr
定义时，在前面使用 __block
进行修饰，但这一次的 retainCount 却大为不同：
- (instancetype)init {
self = [super init];
if (self) {
__block NSMutableArray *arr = [NSMutableArray new];
NSLog(@"1. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
__unsafe_unretained dispatch_block_t block = ^{
NSLog(@"%@", arr);
NSLog(@"2. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
};
NSLog(@"3. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
self.block = block;
NSLog(@"4. %ld", CFGetRetainCount((__bridge CFTypeRef)(arr))); // ARC: 1; MRC: 1
[arr release];
}
return self;
}
- (void)run {
self.block();
}
这一次，我们发现，无论是 ARC，还是 MRC， arr
的 retainCount 始终为 1，在查阅资料后，找到这样一句话：
在 MRC 下， __block
说明符可被用来避免循环引用，是因为当 block 从栈复制到堆上时，如果变量被 __block
修饰，则不会再次 retain，如果没有被 __block
修饰，则会被 retain。
但是，从上面的代码输出来看，ARC 和 MRC，block 是否拷贝到堆上，都没有再次对变量进行持有，retainCount 始终为 1，所以，到这里我遇到几个不太理解的地方：
-
__block修饰符不再持有对象，仅仅是在 MRC 下有效，还是 ARC 与 MRC 下效果是相同的？ -
如果效果是相同的，为什么
__block不能解决 ARC 下的循环引用问题？ -
不能解决 ARC 下的循环引用问题，是否是因为 ARC 下，
arr定义时，缺省值是__strong导致的？ -
在 ARC 下，变量出作用域，编译器插入 release，为什么
arr的 retainCount 是 1，经过一次 release 以后，并未出现问题，而在 MRC 下，在 block 调用的时候，就会出现 crash？
正文到此结束
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