iOS開發(fā):block的探究
[0. Brief introduction of block]
Block是iOS4.0+ 和Mac OS X 10.6+ 引進(jìn)的對(duì)C語言的擴(kuò)展，用來實(shí)現(xiàn)匿名函數(shù)的特性。
用維基百科的話來說，Block是Apple Inc.為C、C++以及Objective-C添加的特性，使得這些語言可以用類lambda表達(dá)式的語法來創(chuàng)建閉包。
用Apple文檔的話來說，A block is an anonymous inline collection of code, and sometimes also called a "closure".
關(guān)于閉包，我覺得阮一峰的一句話解釋簡(jiǎn)潔明了：閉包就是能夠讀取其它函數(shù)內(nèi)部變量的函數(shù)。
這個(gè)解釋用到block來也很恰當(dāng)：一個(gè)函數(shù)里定義了個(gè)block，這個(gè)block可以訪問該函數(shù)的內(nèi)部變量。
一個(gè)簡(jiǎn)單的Block示例如下：
- int (^maxBlock)(int, int) = ^(int x, int y) { return x > y ? x : y; };
如果用Python的lambda表達(dá)式來寫，可以寫成如下形式：
- f = lambda x, y : x if x > y else y
不過由于Python自身的語言特性，在def定義的函數(shù)體中，可以很自然地再用def語句定義內(nèi)嵌函數(shù)，因?yàn)檫@些函數(shù)本質(zhì)上都是對(duì)象。
如果用BNF來表示block的上下文無關(guān)文法，大致如下：
- block_expression ::= ^ block_declare block_statement
- block_declare ::= block_return_type block_argument_list
- block_return_type ::= return_type | 空
- block_argument_list ::= argument_list | 空
[1. Why block]
Block 除了能夠定義參數(shù)列表、返回類型外，還能夠獲取被定義時(shí)的詞法范圍內(nèi)的狀態(tài)（比如局部變量），并且在一定條件下（比如使用__block變量）能夠修改這 些狀態(tài)。此外，這些可修改的狀態(tài)在相同詞法范圍內(nèi)的多個(gè)block之間是共享的，即便出了該詞法范圍（比如棧展開，出了作用域），仍可以繼續(xù)共享或者修改 這些狀態(tài)。
通常來說，block都是一些簡(jiǎn)短代碼片段的封裝，適用作工作單元，通常用來做并發(fā)任務(wù)、遍歷、以及回調(diào)。
比如我們可以在遍歷NSArray時(shí)做一些事情：
- - (void)enumerateObjectsUsingBlock:(void (^)(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop))block;
其中將stop設(shè)為YES，就跳出循環(huán)，不繼續(xù)遍歷了。
而在很多框架中，block越來越經(jīng)常被用作回調(diào)函數(shù)，取代傳統(tǒng)的回調(diào)方式。
用block作為回調(diào)函數(shù)，可以使得程序員在寫代碼更順暢，不用中途跑到另一個(gè)地方寫一個(gè)回調(diào)函數(shù)，有時(shí)還要考慮這個(gè)回調(diào)函數(shù)放在哪里比較合適。采用block，可以在調(diào)用函數(shù)時(shí)直接寫后續(xù)處理代碼，將其作為參數(shù)傳遞過去，供其任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)回調(diào)。
另一個(gè)好處，就是采用block作為回調(diào)，可以直接訪問局部變量。比如我要在一批用戶中修改一個(gè)用戶的name，修改完成后通過回調(diào)更新對(duì)應(yīng)用戶的單元格 UI。這時(shí)候我需要知道對(duì)應(yīng)用戶單元格的index，如果采用傳統(tǒng)回調(diào)方式，要嘛需要將index帶過去，回調(diào)時(shí)再回傳過來；要嘛通過外部作用域記錄當(dāng)前 操作單元格的index（這限制了一次只能修改一個(gè)用戶的name）；要嘛遍歷找到對(duì)應(yīng)用戶。而使用block，則可以直接訪問單元格的index。
這份文檔中提到block的幾種適用場(chǎng)合：
任務(wù)完成時(shí)回調(diào)
處理消息監(jiān)聽回調(diào)處理
錯(cuò)誤回調(diào)處理
枚舉回調(diào)
視圖動(dòng)畫、變換
排序
[2. About __block_impl]
Clang提供了中間代碼展示的選項(xiàng)供我們進(jìn)一步了解block的原理。
以一段很簡(jiǎn)單的代碼為例：
使用-rewrite-objc選項(xiàng)編譯：
得到一份block0.cpp文件，在這份文件中可以看到如下代碼片段：
從命名可以看出這是block的實(shí)現(xiàn)，并且得知block在Clang編譯器前端得到實(shí)現(xiàn)，可以生成C中間代碼。很多語言都可以只實(shí)現(xiàn)編譯器前端，生成C中間代碼，然后利用現(xiàn)有的很多C編譯器后端。
從結(jié)構(gòu)體的成員可以看出，F(xiàn)lags、Reserved可以先略過，isa指針表明了block可以是一個(gè)NSObject，而FuncPtr指針顯然是block對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針。
由此，揭開了block的神秘面紗。
不過，block相關(guān)的變量放哪里呢？上面提到block可以capture詞法范圍內(nèi)（或者說是外層上下文、作用域）的狀態(tài)，即便是出了該范圍，仍然可以修改這些狀態(tài)。這是如何做到的呢？
[3. Implementation of a simple block]
先看一個(gè)只輸出一句話的block是怎么樣的。
生成中間代碼，得到片段如下：
首先出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體就是__main_block_impl_0，可以看出是根據(jù)所在函數(shù)（main函數(shù)）以及出現(xiàn)序列（第0個(gè)）進(jìn)行命名的。如果是全局 block，就根據(jù)變量名和出現(xiàn)序列進(jìn)行命名。__main_block_impl_0中包含了兩個(gè)成員變量和一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，成員變量分別是 __block_impl結(jié)構(gòu)體和描述信息Desc，之后在構(gòu)造函數(shù)中初始化block的類型信息和函數(shù)指針等信息。
接著出現(xiàn)的是__main_block_func_0函數(shù)，即block對(duì)應(yīng)的函數(shù)體。該函數(shù)接受一個(gè)__cself參數(shù)，即對(duì)應(yīng)的block自身。
再下面是__main_block_desc_0結(jié)構(gòu)體，其中比較有價(jià)值的信息是block大小。
***就是main函數(shù)中對(duì)block的創(chuàng)建和調(diào)用，可以看出執(zhí)行block就是調(diào)用一個(gè)以block自身作為參數(shù)的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)著block的執(zhí)行體。
這里，block的類型用_NSConcreteStackBlock來表示，表明這個(gè)block位于棧中。同樣地，還有_NSConcreteMallocBlock和_NSConcreteGlobalBlock。
由 于block也是NSObject，我們可以對(duì)其進(jìn)行retain操作。不過在將block作為回調(diào)函數(shù)傳遞給底層框架時(shí)，底層框架需要對(duì)其copy一 份。比方說，如果將回調(diào)block作為屬性，不能用retain，而要用copy。我們通常會(huì)將block寫在棧中，而需要回調(diào)時(shí)，往往回調(diào)block已 經(jīng)不在棧中了，使用copy屬性可以將block放到堆中。或者使用Block_copy()和Block_release()。
別走開，下頁為您精彩繼續(xù)
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[4. Capture local variable]
再看一個(gè)訪問局部變量的block是怎樣的。
生成中間代碼，得到片段如下：
可以看出這次的block結(jié)構(gòu)體__main_block_impl_0多了個(gè)成員變量i，用來存儲(chǔ)使用到的局部變量i（值為1024）；并且此時(shí)可以看到__cself參數(shù)的作用，類似C++中的this和Objective-C的self。
如果我們嘗試修改局部變量i，則會(huì)得到如下錯(cuò)誤：
錯(cuò)誤信息很詳細(xì)，既告訴我們變量不可賦值，也提醒我們要使用__block類型標(biāo)識(shí)符。
為什么不能給變量i賦值呢？
因?yàn)閙ain函數(shù)中的局部變量i和函數(shù)__main_block_func_0不在同一個(gè)作用域中，調(diào)用過程中只是進(jìn)行了值傳遞。當(dāng)然，在上面代碼中，我們 可以通過指針來實(shí)現(xiàn)局部變量的修改。不過這是由于在調(diào)用__main_block_func_0時(shí)，main函數(shù)棧還沒展開完成，變量i還在棧中。但是在 很多情況下，block是作為參數(shù)傳遞以供后續(xù)回調(diào)執(zhí)行的。通常在這些情況下，block被執(zhí)行時(shí)，定義時(shí)所在的函數(shù)棧已經(jīng)被展開，局部變量已經(jīng)不在棧中 了（block此時(shí)在哪里？），再用指針訪問就……。
所以，對(duì)于auto類型的局部變量，不允許block進(jìn)行修改是合理的。
[5. Modify static local variable]
于是我們也可以推斷出，靜態(tài)局部變量是如何在block執(zhí)行體中被修改的——通過指針。
因?yàn)殪o態(tài)局部變量存在于數(shù)據(jù)段中，不存在棧展開后非法訪存的風(fēng)險(xiǎn)。
上面中間代碼片段與前一個(gè)片段的差別主要在于main函數(shù)里傳遞的是i的地址（&i），以及__main_block_impl_0結(jié)構(gòu)體中成員i變成指針類型（int *）。
然后在執(zhí)行block時(shí)，通過指針修改值。
當(dāng)然，全局變量、靜態(tài)全局變量都可以在block執(zhí)行體內(nèi)被修改。更準(zhǔn)確地講，block可以修改它被調(diào)用（這里是__main_block_func_0）時(shí)所處作用域內(nèi)的變量。比如一個(gè)block作為成員變量時(shí)，它也可以訪問同一個(gè)對(duì)象里的其它成員變量。
[6. Implementation of __block variable]
那么，__block類型變量是如何支持修改的呢？
我們?yōu)閕nt類型變量加上__block指示符，使得變量i可以在block函數(shù)體中被修改。
此時(shí)再看中間代碼，會(huì)多出很多信息。首先是__block變量對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體：
由***個(gè)成員__isa指針也可以知道__Block_byref_i_0也可以是NSObject。
第二個(gè)成員__forwarding指向自己，為什么要指向自己？指向自己是沒有意義的，只能說有時(shí)候需要指向另一個(gè)__Block_byref_i_0結(jié)構(gòu)。
***一個(gè)成員是目標(biāo)存儲(chǔ)變量i。
此時(shí)，__main_block_impl_0結(jié)構(gòu)如下：
__main_block_impl_0的成員變量i變成了__Block_byref_i_0 *類型。
對(duì)應(yīng)的函數(shù)__main_block_func_0如下：
亮點(diǎn)是__Block_byref_i_0指針類型變量i，通過其成員變量__forwarding指針來操作另一個(gè)成員變量。 :-)
而main函數(shù)如下：
通過這樣看起來有點(diǎn)復(fù)雜的改變，我們可以修改變量i的值。但是問題同樣存在：__Block_byref_i_0類型變量i仍然處于棧上，當(dāng)block被回調(diào)執(zhí)行時(shí)，變量i所在的棧已經(jīng)被展開，怎么辦？
在這種關(guān)鍵時(shí)刻，__main_block_desc_0站出來了：
此時(shí)，__main_block_desc_0多了兩個(gè)成員函數(shù)：copy和dispose，分別指向__main_block_copy_0和__main_block_dispose_0。
當(dāng)block從棧上被copy到堆上時(shí)，會(huì)調(diào)用__main_block_copy_0將__block類型的成員變量i從棧上復(fù)制到堆上；而當(dāng)block被釋放時(shí)，相應(yīng)地會(huì)調(diào)用__main_block_dispose_0來釋放_(tái)_block類型的成員變量i。
一會(huì)在棧上，一會(huì)在堆上，那如果棧上和堆上同時(shí)對(duì)該變量進(jìn)行操作，怎么辦？
這時(shí)候，__forwarding的作用就體現(xiàn)出來了：當(dāng)一個(gè)__block變量從棧上被復(fù)制到堆上時(shí)，棧上的那個(gè)__Block_byref_i_0結(jié)構(gòu)體中的__forwarding指針也會(huì)指向堆上的結(jié)構(gòu)。
本來還想繼續(xù)寫下去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)文章有點(diǎn)長(zhǎng)了。先到此。
