理清 Block 底層結構及其捕獲行為

Block 的本質

本質

Block 的本質是一個 Objective-C 對象，它内部也擁有一個 isa 指針。
Block 是封裝了函數及其調用環境的 Objective-C 對象

底層資料結構

一個簡單示例：

int main(int argc, const char * argv[]) {

    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"hey");
    };
    block();
    return 0;
}

複制代碼

将以上 Objective-C 源碼轉換成 c++ 相關源碼，使用指令行：

xcrun -sdk iphoneos xclang -arch arm64 -rewrite-objc 檔案名

c++ 的結構體與一般的類相似。

int main(int argc, const char * argv[]) {

    void (*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));

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

    return 0;
}
複制代碼

其中 Block 的資料結構為：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
};
複制代碼

impl 變量資料結構：

struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr; 
};
複制代碼

FuncPtr：函數實際調用的位址，因為 Block 可看作是捕獲自動變量的匿名函數。

Desc 變量資料結構：

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
}
複制代碼

Block 的類型

Objective-C 中 Block 有三種類型，其最終類型都是 NSBlock 。

NSGlobalBlock (_NSConcreteGlobalBlock)
NSStackBlock (_NSConcreteStackBlock)
NSMallocBlock (_NSConcreteMallocBlock)

Block 類型的不同，主要根據捕獲變量的不同行為産生：

Block 類型	行為
NSGlobalBlock	沒有通路 auto 變量
NSStackBlock	通路 auto 變量
NSMallocBlock	NSStackBlock 調用 copy

在記憶體中的存儲位置

記憶體五大區：棧、堆、靜态區（BSS 段）、常量區（資料段）、代碼段

copy 行為

不同類型的 Block 調用 copy 操作，也會産生不同的複制效果：

Block 類型	副本源的配置存儲域	複制效果
__NSConcreteStackBlock	棧	從棧複制到堆
__NSConcreteGlobalBlock	資料段（常量區）	什麼也不做
__NSConcreteMallocBlock	堆	引用計數增加

在 ARC 環境下，編譯器會在以下情況自動将棧上的 Block 複制到堆上：

Block 作為函數傳回值
将 Block 指派給 __strong 指針
蘋果 Cocoa、GCD 等 api 中方法參數是 block 類型

在 ARC 環境下，聲明的 block 屬性用 copy 或 strong 修飾的效果是一樣的，但在 MRC 環境下，則用 copy 修飾。

捕獲變量

為了保證在 Block 内部能夠正常通路外部變量，Block 有一套變量捕獲機制：

變量類型	是否捕獲到 Block 内部	通路方式
局部 auto 變量	是	值傳遞
局部 static 變量	是	指針傳遞
全局變量	否	直接通路

若局部 static 變量是基礎類型 int val ，則通路方式為 int *val 若局部 static 變量是對象類型 JAObject *obj ，則通路方式為 JAObject **obj

基礎類型變量

一個簡單示例：

int age = 10;
// static int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複制代碼

捕獲局部 auto 基礎類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為:

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int age; // 傳遞值
}
複制代碼

捕獲局部 static 基礎類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int *age; // 傳遞指針
}
複制代碼

捕獲全局基礎類型變量生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 age ，因為作用域為全局，可直接通路。

對象類型變量

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複制代碼

捕獲局部 auto 對象類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為:

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複制代碼

捕獲局部 static 對象類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson **person;
}
複制代碼

捕獲全局對象類型變量生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 person ，因為作用域為全局，可直接通路。

copy 和 dispose 函數

當捕獲的變量是對象類型或者使用 __Block 将變量包裝成一個 __Block_byref_變量名_0 類型的 Objective-C 對象時，會産生

copy

和

dispose

函數。

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複制代碼

其中生成的 Block 的資料結構中多了 JAPerson 類型指針變量 person ：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複制代碼

Desc 變量資料結構多了記憶體管理相關的函數：

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*);
}
複制代碼

這兩個函數的調用時機：

函數	調用時機
copy	棧上的 Block 複制到堆時
dispose	堆上的 Block 被廢棄時

copy 和 dispose 底層相關源碼

// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Lose the reference, and if heap based and last reference, recover the memory
BLOCK_EXPORT void _Block_release(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);


// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);
複制代碼

當 Block 内部通路了對象類型的 auto 變量時：

如果 Block 是在棧上，将不會對 auto 變量産生強引用。
如果 Block 被拷貝到堆上，會調用 Block 内部的 copy 函數， copy 函數内部會調用 _Block_object_assign 函數， _Block_object_assign 函數會根據 auto 變量的修飾符（__strong、__weak、__unsafe_unretain）作出相應的記憶體管理操作。

注意：若此時變量類型為對象類型，這裡僅限于 ARC 時會 retain ，MRC 時不會 retain 。

如果 Block 從堆上移除，會調用 Block 内部的 dispose 函數， dispose 函數内部會調用 _Block_object_dispose 函數， _Block_object_dispose 函數會自動 release 引用的 auto 變量。

使用 __weak 修飾的 OC 代碼轉換對應的 c++ 代碼會報錯： error: cannot create __weak reference because the current deployment target does not support weak references 此時終端指令需支援 ARC 并指定 Runtime 版本： xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

記憶體管理

修改局部 auto 變量

局部 static 變量（指針通路）、全局變量（直接通路）都可以在 Block 内部直接修改捕獲的變量，而局部 auto 變量則主要通過使用 __block 存儲域修飾符來修改捕獲的變量。

__block 修飾符可以用于解決 Block 内部無法修改局部 auto 變量值的問題
__block 修飾符不能用于修飾全局變量、靜态變量（static）

編譯器會将 __block 修飾的變量包裝成一個 Objective-C 對象。

一個簡單示例：

__block int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
   NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複制代碼

其中 Block 的資料結構多了一個 __Block_byref_age_0 類型的指針：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
}
複制代碼

__Block_byref_age_0 結構體：

struct __Block_byref_age_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_age_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int age; // age 真正存儲的地方
};
複制代碼

兩個注意點：

1. 此處指針 val 是指向 age 的指針，而第二個 val 指的是 age 的值。

1. 源碼裡面通過 age->__forwarding->age 的方式去取值，是因為這兩個 age 都可能仍在棧上，此時直接 age->age 通路會有問題，而 copy 操作時 __forwarding 會指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時就算第一個 age 仍在棧上，通過 age->__forwarding 會重新指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時再通路 age 便不會有問題 age->__forwarding->age 。

__block 的記憶體管理

使用 __block 修飾符時的記憶體管理情況：

當 Block 存儲在棧上時，并不會對 __block 變量強引用。
當 Block 被 copy 到堆上時，會調用 Block 内部的 copy 函數， copy 函數會調用 __main_block_copy_0 函數對 __block 變量産生一個強引用。如下圖

當 Block 從堆上被移除時，會調用 Block 内部的 dispose 函數， dispose 函數會調用 _Block_object_dispose 函數自動 release __block 變量。如下圖

weak 和 block 修飾時的引用情況

1. 僅用 __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
    NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
複制代碼

1. 使用 __block __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__block __weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
block();
return 0;
複制代碼

循環引用

常見的循環引用問題：

ARC 環境下解決循環引用

1. 弱引用持有：使用 __weak 或 __unsafe__unretain 解決

1. 手動将一方置為 nil ：使用 __block 解決，在 block 内部将一方置為 nil ，是以必須執行該 block

MRC 環境下解決循環引用

1. 弱引用持有：使用 __unsafe__unretain 解決
1. 直接使用 __block 解決，無需手動将一方置為 nil ，因為底層 _Block_object_assign 函數在 MRC 環境下對 block 内部的對象不會進行 retain 操作。

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

Block 的本質

本質

底層資料結構

Block 的類型

在記憶體中的存儲位置

copy 行為

捕獲變量

基礎類型變量

對象類型變量

copy 和 dispose 函數

記憶體管理

修改局部 auto 變量

__block 的記憶體管理

weak 和 block 修飾時的引用情況

循環引用

ARC 環境下解決循環引用

MRC 環境下解決循環引用

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在記憶體中的存儲位置

copy 行為

捕獲變量

基礎類型變量

對象類型變量

copy 和 dispose 函數

記憶體管理

修改局部 auto 變量

__block 的記憶體管理

__weak 和 __block 修飾時的引用情況

循環引用

ARC 環境下解決循環引用

MRC 環境下解決循環引用

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weak 和 block 修飾時的引用情況