iOS 開發—探秘 Block 原理

作者：劉壯 2025-01-10 09:47:43

移動開發 iOS

很多block原理性的文章都比較老，里面講的一些知識已經過時，這里用新版的iOS SDK再梳理一遍block原理，也是和大家一起對已有知識做一次復習。

1.概述

在iOS開發中，block大家用的都很熟悉了，是iOS開發中閉包的一種實現方式，可以對一段代碼邏輯進行封裝，使其可以像數據一樣被傳遞、存儲、調用，并且可以保存相關的上下文狀態。

很多block原理性的文章都比較老，里面講的一些知識已經過時，這里用新版的iOS SDK再梳理一遍block原理，也是和大家一起對已有知識做一次復習。

2.內存布局

block本質上可以理解為結構體，對于結構體的內存布局，先用一張圖來表示一下，圖中字段順序按照布局的先后順序：

isa：block也有isa，從內存結構上也屬于對象，isa指向的是block的類對象，類對象例如__NSMallocBlock__，后續文章會講到；
flags：用于存儲一些標志位信息，例如是否捕獲外部變量；
reserved：系統保留字段，后續可能會用于一些編譯優化標志位，或者存儲一些臨時變量的處理；
invoke：函數指針，指向了block要執行的函數地址，也就是block代碼塊對應的函數地址；
descriptor(現在叫desc)：指向block_desc_0，包含block大小、捕獲的外部變量布局信息、增加引用計數和銷毀的相關函數指針；
variables：block捕獲的外部變量。

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3.類型

由于block也是對象，可以通過class方法獲取到其類型，也就是類對象。block有下面三種類型：

__NSGlobalBlock__，沒有訪問auto變量的block，訪問static變量是沒問題的。這種類型的變量并沒有什么意義，如果不需要用到auto變量，寫成方法就可以滿足需求；
__NSStackBlock__，在MRC環境下，訪問了auto變量，會默認被放在棧區。需要手動copy到堆區，ARC環境下會在訪問auto變量后，會自動拷貝到堆區；
__NSMallocBlock__，由開發者自己管理內存，不會由系統來釋放。

block的分配主要是在三個區域，堆區、棧區、全局區，全局區的數據存儲在數據段。

block在不同的場景會存在不同的內存區域中，在MRC中創建一個block首先是在__NSStackBlock__內存中的，然后我們使用copy方法將block拷貝到__NSMallocBlock__內存中進行內存管理。后來在ARC中系統已經幫我們做好了copy的操作，創建的block會自動copy到__NSMallocBlock__內存中，堆區的block也有引用計數的概念。如果這個block中沒有用到任何外部參數，系統會將這個block存放在__NSGlobalBlock__內存中。

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并且block也有繼承關系，以下面TestBlock的實例來說，其父類是__NSGlobalBlock__，所有block的父類是NSBlock，并且NSBlock繼承自NSObject類。在更早一些的iOS系統中，__NSGlobalBlock__和NSBlock之間，還會有一層__NSGlobalBlock的關系(后面沒有下劃線)。

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4.轉換C++

下面，我們通過clang命令將block轉為結構體，來分析下其具體實現。雖然這并不是最終運行在iOS系統上的代碼，其等于一種中間表現形式，后續編譯鏈接優化才會形成運行在手機上的ipa包，但對于我們了解block的實現原理有很大幫助。

4.1轉換命令

xcrun是Xcode用于查找和執行相關命令行的工具集，可以更好的執行clang命令，減少報錯。

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc [源文件路徑] -o [目標文件路徑]

clang命令有下面這些關鍵參數：

-fobjc-arc：如果項目是ARC或者ARC和MRC混編的環境，需要通過此參數修飾，表示按ARC的方式進行轉換，如果不需要ARC環境可以忽略；
-x objective-c++：此參數上面沒用，如果包含Objective++源文件的時候，需要用到此參數，以確保clang可以區分OC和C++代碼；
-rewrite-objc：告訴clang以C++的方式重寫出來，包含的上層代碼，clang會以底層代碼的方式進行展現；
[目標文件路徑]：非必傳參數，不傳的話默認在當前目錄生成一個同名的cpp文件，例如main.m對應main.cpp。

4.2轉換示例

下面在main.m中實現了一個很簡單的block，并且沒有捕獲任何外部變量，通過clang命令查看C++代碼，觀察block的具體實現原理。

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轉換后將C++源文件拉到最下面，可以看到main函數以及TestBlock的實現，main函數中有很多轉義代碼，刪掉后梳理邏輯會更清晰。

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5.結構體

5.1基礎結構

轉換后的代碼看著比較復雜，但我們只看關鍵信息，__main_block_impl_0構造函數也可以去掉，整理后就是下面三個結構體。在不包含外部變量和__block的前提下，block結構體各個字段就這么簡單，關鍵就是isa、Block_size、FuncPtr這三個。

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我們也可以打印block結構體相關字段，但由于block的結構體并沒有聲明在某個.h文件中，所以需要我們講clang轉換后的結構體粘到對應的文件中，做顯示聲明。隨后用__bridge的方式，將block對象橋接為自己聲明的結構體，即可打印對應字段。

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結構體中impl.FuncPtr存儲的就是回調函數地址，從地址可以看出是一個虛擬地址，block結構體都存儲在堆區。

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5.2調用部分

看完block結構體的定義，我們來到main函數中，看block的實現和調用轉換后是什么樣的。將main函數中block相關的轉換都去掉，結果如紅圈部分。本質上就是兩步，第一步是調用__main_block_impl_0的結構體構造函數，第二步是調用結構體的函數指針。

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第一行main函數中調用的構造方法，是__main_block_impl_0結構體聲明的C++構造函數，因為我們創建的是一個最簡單block，可以看到block的存儲區域是在stack棧區的。即main函數調用完，block生命周期就會結束。

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__main_block_impl_0構造函數有兩個參數，第一個紅圈部分就是傳入函數指針地址，函數對應的就是block內部的實現代碼。第二個參數是__main_block_desc_0_DATA結構體，其定義為__main_block_desc_0，并且默認實現第一個參數傳0，第二個參數是block結構體的大小，結構體為__main_block_impl_0 block自身的結構體大小。第三個參數有默認值，可以不傳。

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__main_block_desc_0結構體是一種緊湊型的寫法，在聲明__main_block_desc_0結構體后，緊接著聲明了一個名為__main_block_desc_0_DATA的變量，變量類型為靜態變量，并且實現了初始化相關代碼。

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在執行block的代碼位置，可以看到并不是block->impl.FuncPtr的方式調用，而是直接block->FuncPtr的方式調用，中間少了一步。

嚴謹些來說應該加上impl，但不加也不會出問題。這是因為，如果看未刪除轉換代碼的原始clang代碼，可以看到block是被轉換為__block_impl的，也就是說被當做__block_impl看待的。如果再結合__main_block_impl_0的結構體定義來看，__block_impl在成員變量的第一位，所以訪問FuncPtr是沒有問題的，只要不訪問Desc就是可以的。

6.外部變量

6.1值類型

如果在block的調用中加一個外部變量，那結構體將會是怎樣的？

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通過clang命令可以可以看到，轉換后的__main_block_impl_0中增加了一個同名字段，這很簡單沒必要過多解釋。在__main_block_impl_0構造函數中傳入，通過冒號后的初始化列表對value參數進行初始化。

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后面傳參和使用，就都是結構體賦值和取值邏輯，很簡單。

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6.2值傳遞

下面這種寫法，在block的使用中很容易踩坑。在block中使用value參數，并且打印value參數，發現結果為1，而不是2。

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通過C++源碼我們可以看到，這是因為如果block引用的外部變量是值類型，會采取直接復制值的方式，而不是指針引用。

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想解決這個問題也很簡單，通過__block修飾一下值類型，即可實現block內value的值和外部value參數統一。

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6.3靜態變量

我們看一下，如果捕獲的是一個static修飾的靜態變量，其結構體會是什么實現。

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轉換為C++代碼后，可以看到原來的值傳遞變成了地址傳遞，__main_block_impl_0中value的引用是指針引用，在main函數中將value的地址傳入。如果被static修飾的本身就是一個對象，對象是通過指針引用的，在block的結構體中就是兩個星號引用。也就是NSObject **obj。

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