iOS进阶—— Block
花几分钟时间看下面三个小题目，写下你的答案。
这个三个小题目，我在整理此片博文之前给了三位朋友去解答，最后的结果，除了一位朋友 3 题全部正确，其他两个朋友均只答中 1 题。
说明还是有很多 iOS 的朋友对于 Block 并没有透彻理解。本篇博文会对 Block 进行详细的解说。
1 Block 使用的简单规则
先了解简单规则，再去分析原理和实现：
Block 中，Block 表达式截获所使用的自动变量的值，即保存该自动变量的瞬间值。
修饰为 __block 的变量，在捕获时，获取的不再是瞬间值。
至于 Why，后面将会继续说。
2 Block 的实现
Block 是带有自动变量(局部变量)的匿名函数。
Block 表达式很简单，总体可以描述为：『^ 返回值类型 参数列表 表达式』。
但是 Block 并不是 Objective-C 中才有的语法，这是怎么一回事?
clang 编译器提供给程序员了解 Objective-C 背后机制的方法，通过 clang 的转换可以看到 Block 的实现原理。
通过 clang -rewrite-objc yourfile.m clang 将会把 Objective-C 的代码转换成 C 语言的代码。
2.1 Block 基本实现剖析
用 Xcode 创建 Command Line 项目，写如下代码：
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")};
- blk();
- return 0;
- }
用 clang 转换：
以上是转换后的代码，不要方，一段一段看。
可以看到，Block 内部的内容，被转换成了一个普通的静态函数 __main_func_0。
再看其他部分：
main.cpp __block_impl:
- struct __block_impl {
- void *isa;
- int Flags;
- int Reserved;
- void *FuncPtr;
- };
__block_impl 结构体包括了一些标志、今后版本升级预留的变量、函数指针。
main.cpp __main_block_desc_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)};
__main_block_desc_0 结构体包括了今后版本升级预留的变量、block 大小。
main.cpp __main_block_impl_0:
__main_block_impl_0 结构体含有两个成员变量，分别是 __block_impl 和 __main_block_desc_0实例变量。
此外，还含有一个构造方法。该构造方法在 main 函数中被如下调用：
main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用:
- void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,
- &__main_block_desc_0_DATA));
去掉各种强制转换，做简化：
main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用 简化:
- 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;
以上代码即：将 __main_block_impl_0 结构体实例的指针，赋值给 __main_block_impl_0 结构体指针类型的变量 blk。也就是我们最初的结构体定义：
- void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};
另外，main 函数中还有另外一段：
- ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
去掉各种转换：
- (*blk->impl.FuncPtr)(blk);
实际就是最初的：
- blk();
本节所有代码在 block_implementation (https://github.com/summertian4/iOS-ObjectiveC/tree/master/ObjcMemory/ObjcMemory-Test-Code/block_implementation)中
2.2 Block 截获外部变量瞬间值的实现剖析
2.1 中对最简单的 无参数 Block 声明、调用 进行了 clang 转换。接下来再看一段『截获自动变量』的代码(可以使用命令 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=macosx-10.7 main.m)：
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- int val = 10;
- const char *fmt = "val = %d\n";
- void (^blk)(void) = ^{printf(fmt, val);};
- val = 2;
- fmt = "These values were changed, val = %d\n";
- blk();
- return 0;
- }
clang 转换之后：
和 2.1 节中的转换代码对比，可以发现多了一些代码。
首先，__main_block_impl_0 多了一个变量 val，并在构造函数的参数中加入了 val 的赋值：
main.cpp __main_block_impl_0:
- struct __main_block_impl_0 {
- struct __block_impl impl;
- struct __main_block_desc_0* Desc;
- const char *fmt;
- int val;
- __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, const char *_fmt, int _val, int flags=0) : fmt(_fmt), val(_val) {
- impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
- impl.Flags = flags;
- impl.FuncPtr = fp;
- Desc = desc;
- }
- };
而在 main 函数中，对 Block 的声明变为此句：
main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用:
- void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));
去掉转换：
main.cpp __main_block_impl_0 构造函数的调用 简化:
- struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val);
- struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
_所以，在 Block 被声明时，Block 已经将 val 作为 __main_block_impl_0 的内部变量保存下来了。无论在在声明之后怎样更改 val 的值，都不会影响，Block 调用时访问的内部 val 值。这就是 Block 捕获变量瞬间值的原理。_
本节所有代码在 EX05 中
2.3 __block 变量的访问实现剖析
我们知道，Block 中能够读取，但是不能更改一个局部变量，如果去更改，Xcode 会提示你无法在 Block 内部更改变量。
Block 内部只是对局部变量只读，但是 Block 能读写以下几种变量：
- 静态变量
- 静态全局变量
- 全局变量
也就是说以下代码是没有问题的：
- int global_val = 1;
- static int static_global_val = 2;
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- static int static_val = 3;
- void (^blk)(void) = ^ {
- global_val = 1 * 2;
- static_global_val = 2 * 2;
- static_val = 3 * 2;
- }
- return 0;
- }
如果想在 Block 内部写局部变量，需要对访问的局部变量增加 __block 修饰。
__block 修饰符其实类似于 C 语言中 static、auto、register 修饰符。用于指定将变量值设置到哪个存储域中。
具体 __block 之后究竟做了哪些变化我们可以写代码测试：
EX07:
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- __block int val = 10;
- void (^blk)(void) = ^{val = 1;};
- return 0;
- }
clang 转换之后：
跟 2.2 对比，似乎又加了非常代码。发现多了两个结构体。
main.cpp __Block_byref_val_0:
- struct __Block_byref_val_0 {
- void *__isa;
- __Block_byref_val_0 *__forwarding;
- int __flags;
- int __size;
- int val;
- };
很惊奇的发现，block 类型的 val 变成了结构体 Block_byref_val_0的实例。这个实例内，包含了isa指针、一个标志位flags、一个记录大小的size。最最重要的，多了一个forwarding指针和val 变量。这是怎么回事?
在 main 函数部分，实例化了该结构体：
main.cpp main.m 部分:
- __Block_byref_val_0 val = {(void*)0,
- (__Block_byref_val_0 *)&val,
- 0,
- sizeof(__Block_byref_val_0),
- 10};
我们可以看出该结构体对象初始化时：
- __forwarding 指向了结构体实例本身在内存中的地址
- val = 10
而在 main 函数中，val = 1 这句赋值语句变成了：
main.cpp val = 1; 对应的函数
- (val->__forwarding->val) = 1;
这里就可以看出其精髓，val = 1，实际上更改的是 __Block_byref_val_0 结构体实例 val 中的 __forwarding 指针(也就是本身)指向的 val 变量。
而对 val 访问也是如此。你可以理解为通过取地址改变变量的值，这和 C 语言中取地址改变变量类似。
所以，声明 block 的变量可以被改变。至于 forwarding 的其他巨大作用，会继续分析。
本节代码在 EX05 中
3 Block 的存储域
Block 有三种类型，分别是：
- __NSConcreteStackBlock ————————栈中
- __NSConcreteGlobalBlock ————————数据区域中
- __NSConcreteMallocBlock ————————堆中
__NSConcreteGlobalBlock 出现的地方有：
- 设置全局变量的地方有 Block 语法时
- Block 语法的表达式中不使用任何外部变量时
设置在栈上的 Block，如果所属的变量作用域结束，Block 就会被废弃。如果其中用到了 block，block 所属的变量作用域结束也会被废弃。
为了解决这个问题，Block 在必要的时候就需要从栈中移到堆中。ARC 有效时，很多情况下，编译器会帮助完成 Block 的 copy，但很多情况下，我们需要手动 copy Block。
对不同存储域的 Block copy 时，影响如下：
copy 时，对访问到的 __block 类型对象影响如下：
此时可以看出 __forwarding 的巨大作用——无论 Block 此时在堆中还是在栈中，由于 __forwarding 指向局部变量转换成的结构体实例的真是地址，所以都能确保正确的访问。
具体的来说：
- 当 block 变量被一个 Block 使用时，Block 从栈复制到堆，block 变量也会被复制到，并被该 Block 持有。
- 在 block 变量被多个 Block 使用时，在任何一个 Block 从栈复制到堆时， block 变量也会被复制到堆，并被该 Block 持有。但由于 __forwarding 指针的存在，无论 block 变量和 Block 在不在同一个存储域，都可以正确的访问 block 变量。
- 如果堆上的 Block 被废弃，那么它所使用的 __block 变量也会被释放。
前面说到编译器会帮助完成一些 Block 的 copy，也有手动 copy Block。那么 Block 被复制到堆上的情况有(此段摘自于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』)：
- 调用 Block 的 copy 方法时
- Block 作为返回值时
- 将 Block 赋值给附有 __strong 修饰符的成员变量时(id类型或 Block 类型)时
- 在方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中传递 Block 时
4 Block 循环引用
Block 循环引用，是在编程中非常常见的问题，甚至很多时候，我们并不知道发生了循环引用，直到我们突然某一天发现『怎么这个对象没有调用 delloc』，才意识到有问题存在。
在『Block 存储域』中也说明了 Block 在 copy 后对 __block 对象会 retain 一次。
那么对于如下情况就会发生循环引用：
- block_retain_cycle:
- @interface MyObject : NSObject
- @property (nonatomic, copy) blk_t blk;
- @property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
- @end
- @implementation MyObject
- - (instancetype)init {
- self = [super init];
- _blk = ^{NSLog(@"self = %@", self);};
- return self;
- }
- - (void)dealloc {
- NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
- }
- @end
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- id myobj = [[MyObject alloc] init];
- NSLog(@"%@", myobj);
- return 0;
- }
由于 self -> blk，blk -> self，双方都无法释放。
但要注意的是，对于以下情况，同样会发生循环引用：
- block_retain_cycle
- @interface MyObject : NSObject
- @property (nonatomic, copy) blk_t blk;
- // 下面是多加的一句
- @property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
- @end
- @implementation MyObject
- - (instancetype)init {
- self = [super init];
- // 下面是多加的一句
- _blk = ^{NSLog(@"self = %@", _obj);};
- return self;
- }
- - (void)dealloc {
- NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
- }
- @end
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- id myobj = [[MyObject alloc] init];
- NSLog(@"%@", myobj);
- return 0;
- }
这是由于 self -> obj，self -> blk，blk -> obj。这种情况是非常容易被忽视的。
5 重审问题
我们再来看看最初的几个小题目：
第一题：
由于 Block 捕获瞬间值，所以输出为 in block val = 0
第二题：
由于 val 为 __block，外部更改会影响到内部访问，所以输出为 in block val = 1
第三题：
和第二题类似，val = 1 能影响到 Block 内部访问，所以先输出 in block val = 1，之后在 Block 内部更改 val 值，再次访问时输出 after block val = 2。
Other
我写这篇文章是在我阅读了『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』一书之后，博文中也有很内容源于『Objective-C高级编程 iOS与OS X多线程和内存管理』。
非常向大家推荐此书。这本书里记录了关于 iOS 内存管理的深入内容。但要注意的是，此书中的多处知识点并不是很详细，需要你以拓展的心态去学习。在有解释不详细的地方，自己主动去探索，去拓展，找更多的资料，最后，你会发现你对 iOS 内存管理有了更多的深入的理解。
