iOS底层原理 - Block本质探究

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#iOS底层原理 - Block本质探究

本质

block 本质是一个OC对象,也存在 isa 指针。或者说Block 是封装了函数调用和函数调用环境的OC对象。

1.底层实现

编写一段最简单的OC代码顶一个block,代码如:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int abc = 10086;
        void(^block)(int number) = ^(int number) {
            NSLog(@"%d",number);
        };
    }
    return 0;
}

使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令将其OC代码转化为底层的C++代码,观察block的底层结构。

我们打开编译生成的main.cpp代码,会发现上述代码被转化为如下:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        int abc = 10086;
        void(*block)(int number) = ((void (*)(int))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
    }
    return 0;
}

block 代码块被定义为 __main_block_impl_0 结构体。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

结构体中包含两个不同的结构体变量 __block_impl__main_block_desc_0

__block_impl

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

包含isa指针说明,block本质上也是一个OC对象,FuncPtr 指向block所封装的代码块地址,等执行block时会通过FuncPtr寻找将要执行的代码块,并且调用。

__main_block_desc_0

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
}

其中: Block_size 为当前block 占用内存大小。

__main_block_func_0

block 封装的代码块被定义为 __main_block_func_0 结构体

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself, int number) {

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gf_ct0sq2w17s16j4b1pz5_zx500000gn_T_main_68909d_mi_0,number);
        }

2. Block 变量捕获

auto 变量

如果我们将main函数改为:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        int abc = 10086;
        void(^block)() = ^() {
            NSLog(@"%d",abc);
        };
        abc = 10010;
        
        block();
    }
    return 0;
}

在block内部引用外部变量,我们再看看内部组成结构。同样执行 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m 命令。 我们可以看到,较之前,__main_block_impl_0 结构体新增一个 int 类型变量abc,用于存储所引用的外部变量的值。因为是值存储,所以在block生成之后,无论外部变量做何更改,abc依然是之前所定义的值。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int abc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _abc, int flags=0) : abc(_abc) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
}

static 变量

因为我们所定义的外部变量 abc 之前没有任何修饰符,也就是默认的auto变量,此时block是值捕获。如果将外部变量声明为 static 类型再观察底层实现。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        int abc = 10086;
        static int def = 100;
        void(^block)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc: %d - def: %d",abc,def);
        };
        abc = 10010;
        def = 200;
        
        block();
    }
    return 0;
}

转化为c++底层实现为:

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int abc;
  int *def;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _abc, int *_def, int flags=0) : abc(_abc), def(_def) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

使用static 修饰的变量在block内部为指针传递,block直接捕获外部变量的内存地址,此时若外部变量在block声明之后修改,block内部也会同步进行修改。

全局 变量

如果使用全局变量,block不会捕获。因为声明全局变量的类型会在程序的整个声明周期都不会被释放,所以在使用block时,直接会去访问全局变量的值。所以捕获就没有意义了,感兴趣的可以自行查看底层实现。

3. Block 的类型

当我们声明一个block 并且打印他的继承链我们可以看到:

void(^block)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc");
        };
        
        NSLog(@"%@",[block class]);
        NSLog(@"%@",[[block class] superclass]);
        NSLog(@"%@",[[[block class] superclass] superclass]);
        NSLog(@"%@",[[[[block class] superclass] superclass] superclass]);

输出:

2018-06-28 10:37:23.901162+0800 BlockDemo[17574:719984] __NSGlobalBlock__
2018-06-28 10:37:23.901504+0800 BlockDemo[17574:719984] __NSGlobalBlock
2018-06-28 10:37:23.901522+0800 BlockDemo[17574:719984] NSBlock
2018-06-28 10:37:23.901535+0800 BlockDemo[17574:719984] NSObject
Program ended with exit code: 0
故我们可得出结论block的继承关系为:NSGlobalBlock : __NSGlobalBlock : NSBlock : NSObject

从而也进一步证明了block 本质上为 OC对象。并且,在不引用外部变量的情况下,block为 NSGlobalBlock 类型。

我们定义三个不同的block,分别打印他们的实际类型:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        void(^block1)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc");
        };
        NSLog(@"%@",[block1 class]);
        
        int abc = 1;
        void(^block2)(void) = ^() {
            NSLog(@"abc: %d",abc);
        };
        NSLog(@"%@",[block2 class]);
        
        
        NSLog( @"%@", [^(){
            NSLog(@"hello %d",abc);
        } class]);
        
        
    }
    return 0;
}

输出:

2018-06-28 10:48:32.096859+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSGlobalBlock__
2018-06-28 10:48:32.097224+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSMallocBlock__
2018-06-28 10:48:32.097243+0800 BlockDemo[17719:728991] __NSStackBlock__

我们可以得出结论,

block 类型分三种:分别为 __NSGlobalBlock__ __NSMallocBlock__ __NSStackBlock__

他们在内存中位置分别:

Snip20180628_6

那他们是如何区分的呢?可以使用如下表格来说明:

Block 类型 条件
NSGlobalBlock block 内部没有访问auto变量
NSStackBlock block 内部访问了 auto变量
NSMallocBlock NSStackBlock 调用了copy

NSStackBlock 执行 copy 后会将栈区的block 复制到堆区,便于程序员管理,那其他类型的block执行 copy 会有什么变化呢?如下表所示:

Block 类型 存储域 执行 copy 后效果
NSGlobalBlock 程序的数据区域 无任何改变
NSStackBlock 从栈复制到堆
NSMallocBlock 引用计数器加1

4. ARC 下某些情况下系统会对 Block 自动执行一次 copy 操作,将 Block 从栈区转移到堆区

1.当 block 作为函数返回值时

typedef void(^MyBlock)(void);

MyBlock testFunc() {
    int a = 10;
    MyBlock myBlock = ^ {
        NSLog(@"test --- %d",a);
    };
    return myBlock;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyBlock myB = testFunc();
        NSLog(@"%@",[myB class]);
    }
    return 0;
}

如果此代码在MRC 环境下,会崩溃。Block访问的变量已被释放。 如果在ARC环境下,在参数的返回值为block时,系统会对block自动执行一次 copy 操作,使其变为 NSMallocBlock 类型。

2.当Block 被强指针引用时会自动执行copy操作

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int abc = 10;
        MyBlock myB = ^ {
            NSLog(@"+++ %d",abc);
        };
        NSLog(@"%@",[myB class]);
    }
    return 0;
}

如上代码,在MRC环境输出:__NSStackBlock__ 。在 ARC环境输出:__NSMallocBlock__

3.当 Block 做为cocoa API 或 GCD API 的方法参数时也会自动执行 copy 操作

例如:

   NSArray *array = @[@1];
        [array enumerateObjectsUsingBlock:^(id  _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) {
            
        }];
  static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^{
            
        });

所以在 MAC 环境下的block属性必须使用 copy 修饰,而ARC环境下的block属性即可使用 strong 修饰,也可以使用 copy 修饰,两者都会对block自动执行copy操作,故无任何区别。

5.Block 内部引用对象

观察如下代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        {
            XWPerson *person = [[XWPerson alloc] init];
            person.age = 10;
            ^{
                NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
            }();
        }
        
        NSLog(@"*******");
    }
    return 0;
}

会发现当 函数体内 大括号执行完毕后 XWPerson 即被释放,此时的block 是 栈类型的Block 即 __NSStackBlock__. 存储在栈区的block即便引用了对象,也会跟随大括号一并释放。

如果将以上代码改为:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyBlock myBlock;
        {
            XWPerson *person = [[XWPerson alloc] init];
            person.age = 10;
            myBlock = ^{
                NSLog(@"person -- %ld",(long)person.age);
            };
            myBlock();
            
        }
        
        NSLog(@"*******");
    }
    return 0;
}

我们会发现在执行到 **** 时,person 对象依然没有被释放,此时block 已经对 person 对象进行了强引用。因为 此时 的block 为强指针引用,类型为 堆block __NSMallocBlock__. 为什么堆 block 会对外部对象强引用呢?

此时 使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m 命令 观察其底层 c++ 实现:

此时block 定义为:

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  XWPerson *__strong person;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, XWPerson *__strong _person, int flags=0) : person(_person) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

其中 main_block_desc_0 定义为:

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} 

较之前block引用基本成员类型时,其 main_block_desc_0 多了两个参数分别为 copy 和 dispose。并且传入的都是 __main_block_impl_0 block 本身。

当 block 执行 copy 操作的时候,执行的是

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->person, (void*)src->person, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

方法。最终调用的 _Block_object_assign 方法会对block引入的对象 person 进行引用计数操作,当所引入的对象使用 strong 修饰则使其引用计数加1,若使用weak修饰则引用计数不变。

当 block 执行完毕的时候会调用 dispose 方法,而dispose 在底层会调用

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->person, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

方法,将block内部引用的对象成员引用计数减1,如果此时外部对象使用strong 修饰,引用计数在copy加1后 此时再减1.依然会强引用外部对象,不会释放,如果使用weak修饰,此时因为自身以及被释放,所以不会再持有所引用外部对象,然而此时所引用外部对象是否会被释放取决于它的引用计数是否为 0。

6. block 内部修改外部变量的值。

我们知道,如果block 内部捕获的外部变量为 auto 类型,在block 内部生成的是该变量的值类型变量,无法通过block内部的值修改外部变量。 如果想在block内部修改外部变量的值有几种方法?

1.外部变量使用 static 修饰

使用 static 修饰的变量block内部会直接获取到变量的内存地址,可以直接修改。

2.使用 __block

若使用 static 变量修饰,该变量的生命周期就会无限延长,这不符合我们的设计思路,故我们可以使用 __block 来修饰外部变量,从而达到在block内部修改外部成员变量的目的。 那 __block 是如何实现此需求的呢?

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block int a = 10;
        MyBlock block = ^{
            a = 20;
            NSLog(@"a --- %d",a);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

使用 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m 命令将其转化为c++ 实现:

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_a_0 *a; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, int flags=0) : a(_a->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

我们可知 通过 __block 修饰的外部成员变量被定义为 __Block_byref_a_0 对象!它的声明为:

struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

此时在main函数内声明 __block 类型的变量会以此方式初始化:

     __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};

其中 __forwarding 保存的原变量 a 的内存地址,size 为当前变量的内存大小,10 保存未原变量的值。

如此,我们在block 内部修改 原变量时:

(a->__forwarding->a) = 20;

直接取原变量的地址进行更改,从而实现在block内部更改外部变量。

7. __block 和 对象类型的auto变量 的内存管理

对于block内部捕获的对象类型的auto变量和__block修饰的变量。如果block在栈区,不会对他们进行内存管理,即不会强引用外部变量

如果block被复制到堆区,则会调用内部 copy 函数对外部 __block 修饰的变量和对象类型的auto变量进行内存管理。

当block从内存中移除时,同样也会调用dispose函数对所引用的外部变量进行释放。

8. 循环引用

使用 block 很容易形成循环引用,如果一个类中定义的block内部引用了该类的外部属性,包括 类本身的 self, 均会导致 self 强引用 block,block 也强引用 self。导致self不会被释放。如下代码就会造成循环引用:

.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface XWPerson : NSObject

@property (nonatomic, assign) NSInteger age;

@property (nonatomic, copy)  void(^personBlock)(void);

@end
.m
#import "XWPerson.h"

@implementation XWPerson

- (void)test {
    self.personBlock = ^{
        NSLog(@"%d",self.age); //此处若即便使用 _age  也会产生循环引用。
    };
}

- (void)dealloc {
    NSLog(@" XWPerson -- dealloc  --  age:%ld",(long)_age);
}
@end

产生循环引用的本质原因是,在block内部实现里,会将self 捕获到block内部,并且strong 强引用。如下代码所示:

struct __XWPerson__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __XWPerson__test_block_desc_0* Desc;
  XWPerson *const __strong self;
  __XWPerson__test_block_impl_0(void *fp, struct __XWPerson__test_block_desc_0 *desc, XWPerson *const __strong _self, int flags=0) : self(_self) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

9. 避免产生循环引用

1. (ARC 环境下) __weak : 弱引用对象,指向的对象销毁时,会自动将指针置为nil。因此一般通过__weak来解决问题。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];
        person1.age = 18;
        __weak typeof(person1) weakPerson = person1;
        person1.personBlock = ^{
            NSLog(@"%ld",(long)weakPerson.age);
        };
        person1.personBlock();
    }
    return 0;
}

2. (ARC / MRC 环境下) __unsafe_unretained : 弱引用对象,指向的对象销毁时,不会自动将指针置为nil。再次引用该对象时可能会产生访问僵尸对象的错误,产生崩溃,故不建议使用!

__unsafe_unretained XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];

3. (ARC / MRC 环境下) __block : 使用__block 修饰对象. 在ARC环境下-前提是一定要调用此block,并且要在block内部将所引用的外部变量手动置nil。因为 MRC 环境下,引用__block 修饰的对象不会使其引用计数加1,所以不需要手动置nil,也不是必需要使用block。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        __block XWPerson *person1 = [[XWPerson alloc] init];
        person1.age = 18;
        person1.personBlock = ^{
            NSLog(@"%ld",(long)person1.age);
            person1 = nil;
        };
        person1.personBlock();
    }
    return 0;
}