iOS進階—— Block
花幾分鐘時間看下面三個小題目，寫下你的答案。
這個三個小題目，我在整理此片博文之前給了三位朋友去解答，***的結果，除了一位朋友 3 題全部正確，其他兩個朋友均只答中 1 題。
說明還是有很多 iOS 的朋友對于 Block 并沒有透徹理解。本篇博文會對 Block 進行詳細的解說。
1 Block 使用的簡單規則
先了解簡單規則，再去分析原理和實現：
Block 中，Block 表達式截獲所使用的自動變量的值，即保存該自動變量的瞬間值。
修飾為 __block 的變量，在捕獲時，獲取的不再是瞬間值。
至于 Why，后面將會繼續說。
2 Block 的實現
Block 是帶有自動變量(局部變量)的匿名函數。
Block 表達式很簡單，總體可以描述為：『^ 返回值類型 參數列表 表達式』。
但是 Block 并不是 Objective-C 中才有的語法，這是怎么一回事?
clang 編譯器提供給程序員了解 Objective-C 背后機制的方法，通過 clang 的轉換可以看到 Block 的實現原理。
通過 clang -rewrite-objc yourfile.m clang 將會把 Objective-C 的代碼轉換成 C 語言的代碼。
2.1 Block 基本實現剖析
用 Xcode 創建 Command Line 項目，寫如下代碼：
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")};
- blk();
- return 0;
- }
用 clang 轉換：
以上是轉換后的代碼，不要方，一段一段看。
可以看到，Block 內部的內容，被轉換成了一個普通的靜態函數 __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 結構體包括了一些標志、今后版本升級預留的變量、函數指針。
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 結構體包括了今后版本升級預留的變量、block 大小。
main.cpp __main_block_impl_0:
__main_block_impl_0 結構體含有兩個成員變量，分別是 __block_impl 和 __main_block_desc_0實例變量。
此外，還含有一個構造方法。該構造方法在 main 函數中被如下調用：
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用:
- void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,
- &__main_block_desc_0_DATA));
去掉各種強制轉換，做簡化：
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用 簡化:
- 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;
以上代碼即：將 __main_block_impl_0 結構體實例的指針，賦值給 __main_block_impl_0 結構體指針類型的變量 blk。也就是我們最初的結構體定義：
- void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};
另外，main 函數中還有另外一段：
- ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
去掉各種轉換：
- (*blk->impl.FuncPtr)(blk);
實際就是最初的：
- blk();
本節所有代碼在 block_implementation (https://github.com/summertian4/iOS-ObjectiveC/tree/master/ObjcMemory/ObjcMemory-Test-Code/block_implementation)中
2.2 Block 截獲外部變量瞬間值的實現剖析
2.1 中對最簡單的 無參數 Block 聲明、調用 進行了 clang 轉換。接下來再看一段『截獲自動變量』的代碼(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 轉換之后：
和 2.1 節中的轉換代碼對比，可以發現多了一些代碼。
首先，__main_block_impl_0 多了一個變量 val，并在構造函數的參數中加入了 val 的賦值：
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 函數中，對 Block 的聲明變為此句：
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用:
- void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));
去掉轉換：
main.cpp __main_block_impl_0 構造函數的調用 簡化:
- 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 被聲明時，Block 已經將 val 作為 __main_block_impl_0 的內部變量保存下來了。無論在在聲明之后怎樣更改 val 的值，都不會影響，Block 調用時訪問的內部 val 值。這就是 Block 捕獲變量瞬間值的原理。_
本節所有代碼在 EX05 中
2.3 __block 變量的訪問實現剖析
我們知道，Block 中能夠讀取，但是不能更改一個局部變量，如果去更改，Xcode 會提示你無法在 Block 內部更改變量。
Block 內部只是對局部變量只讀，但是 Block 能讀寫以下幾種變量：
- 靜態變量
- 靜態全局變量
- 全局變量
也就是說以下代碼是沒有問題的：
- 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 內部寫局部變量，需要對訪問的局部變量增加 __block 修飾。
__block 修飾符其實類似于 C 語言中 static、auto、register 修飾符。用于指定將變量值設置到哪個存儲域中。
具體 __block 之后究竟做了哪些變化我們可以寫代碼測試：
EX07:
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- __block int val = 10;
- void (^blk)(void) = ^{val = 1;};
- return 0;
- }
clang 轉換之后：
跟 2.2 對比，似乎又加了非常代碼。發現多了兩個結構體。
main.cpp __Block_byref_val_0:
- struct __Block_byref_val_0 {
- void *__isa;
- __Block_byref_val_0 *__forwarding;
- int __flags;
- int __size;
- int val;
- };
很驚奇的發現，block 類型的 val 變成了結構體 Block_byref_val_0的實例。這個實例內，包含了isa指針、一個標志位flags、一個記錄大小的size。最最重要的，多了一個forwarding指針和val 變量。這是怎么回事?
在 main 函數部分，實例化了該結構體：
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};
我們可以看出該結構體對象初始化時：
- __forwarding 指向了結構體實例本身在內存中的地址
- val = 10
而在 main 函數中，val = 1 這句賦值語句變成了：
main.cpp val = 1; 對應的函數
- (val->__forwarding->val) = 1;
這里就可以看出其精髓，val = 1，實際上更改的是 __Block_byref_val_0 結構體實例 val 中的 __forwarding 指針(也就是本身)指向的 val 變量。
而對 val 訪問也是如此。你可以理解為通過取地址改變變量的值，這和 C 語言中取地址改變變量類似。
所以，聲明 block 的變量可以被改變。至于 forwarding 的其他巨大作用，會繼續分析。
本節代碼在 EX05 中
3 Block 的存儲域
Block 有三種類型，分別是：
- __NSConcreteStackBlock ————————棧中
- __NSConcreteGlobalBlock ————————數據區域中
- __NSConcreteMallocBlock ————————堆中
__NSConcreteGlobalBlock 出現的地方有：
- 設置全局變量的地方有 Block 語法時
- Block 語法的表達式中不使用任何外部變量時
設置在棧上的 Block，如果所屬的變量作用域結束，Block 就會被廢棄。如果其中用到了 block，block 所屬的變量作用域結束也會被廢棄。
為了解決這個問題，Block 在必要的時候就需要從棧中移到堆中。ARC 有效時，很多情況下，編譯器會幫助完成 Block 的 copy，但很多情況下，我們需要手動 copy Block。
對不同存儲域的 Block copy 時，影響如下：
copy 時，對訪問到的 __block 類型對象影響如下：
此時可以看出 __forwarding 的巨大作用——無論 Block 此時在堆中還是在棧中，由于 __forwarding 指向局部變量轉換成的結構體實例的真是地址，所以都能確保正確的訪問。
具體的來說：
- 當 block 變量被一個 Block 使用時，Block 從棧復制到堆，block 變量也會被復制到，并被該 Block 持有。
- 在 block 變量被多個 Block 使用時，在任何一個 Block 從棧復制到堆時， block 變量也會被復制到堆，并被該 Block 持有。但由于 __forwarding 指針的存在，無論 block 變量和 Block 在不在同一個存儲域，都可以正確的訪問 block 變量。
- 如果堆上的 Block 被廢棄，那么它所使用的 __block 變量也會被釋放。
前面說到編譯器會幫助完成一些 Block 的 copy，也有手動 copy Block。那么 Block 被復制到堆上的情況有(此段摘自于『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』)：
- 調用 Block 的 copy 方法時
- Block 作為返回值時
- 將 Block 賦值給附有 __strong 修飾符的成員變量時(id類型或 Block 類型)時
- 在方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中傳遞 Block 時
4 Block 循環引用
Block 循環引用，是在編程中非常常見的問題，甚至很多時候，我們并不知道發生了循環引用，直到我們突然某一天發現『怎么這個對象沒有調用 delloc』，才意識到有問題存在。
在『Block 存儲域』中也說明了 Block 在 copy 后對 __block 對象會 retain 一次。
那么對于如下情況就會發生循環引用：
- 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，雙方都無法釋放。
但要注意的是，對于以下情況，同樣會發生循環引用：
- 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;
- }
這是由于 self -> obj，self -> blk，blk -> obj。這種情況是非常容易被忽視的。
5 重審問題
我們再來看看最初的幾個小題目：
***題：
由于 Block 捕獲瞬間值，所以輸出為 in block val = 0
第二題：
由于 val 為 __block，外部更改會影響到內部訪問，所以輸出為 in block val = 1
第三題：
和第二題類似，val = 1 能影響到 Block 內部訪問，所以先輸出 in block val = 1，之后在 Block 內部更改 val 值，再次訪問時輸出 after block val = 2。
Other
我寫這篇文章是在我閱讀了『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』一書之后，博文中也有很內容源于『Objective-C高級編程 iOS與OS X多線程和內存管理』。
非常向大家推薦此書。這本書里記錄了關于 iOS 內存管理的深入內容。但要注意的是，此書中的多處知識點并不是很詳細，需要你以拓展的心態去學習。在有解釋不詳細的地方，自己主動去探索，去拓展，找更多的資料，***，你會發現你對 iOS 內存管理有了更多的深入的理解。
對于文章中的測試代碼，全部在(https://github.com/summertian4/iOS-ObjectiveC/tree/master/ObjcMemory)。
