iOS底层 -- block原理

欢迎阅读iOS底层系列（建议按顺序）

iOS底层 - alloc和init探索

iOS底层 - 包罗万象的isa

iOS底层 - 类的本质分析

iOS底层 - cache_t流程分析

iOS底层 - 方法查找流程分析

iOS底层 - 消息转发流程分析

iOS底层 - dyld是如何加载app的

iOS底层 - 类的加载分析

iOS底层 - 分类的加载分析

iOS探索 - 多线程之相关原理

iOS探索 - 多线程之GCD应用

iOS探索 - 多线程之底层篇

本篇文章主要分析block的类型，循环引用的解决，以及block的底层原理。

1.block的类型

1.1 全局block

@property (nonatomic , copy) TextBlock textBlock;

self.textBlock = ^{
    
};

NSLog(@"Block is %@", textBlock);

全局block在编译期就被置于macho中的数据段。

在block内部没有使用外部变量，或者只使用的是静态变量或全局变量时，为__NSGlobalBlock__。即使声明的block属性使用了copy修饰也是如此。

1.2 栈block

int textA = 0;
void (^__weak textBlock)(void) = ^void {
    NSLog(@"%d",textA);
};
NSLog(@"Block is %@", textBlock);

在MRC下，捕获外界变量时，此block为栈block，但是ARC下系统默认使用__strong修饰且会自动进行copy成堆block。故需要__weak声明.

内部使用了局部变量或者oc属性，但是没有赋值给强引用或者copy修饰的变量，为__NSStackBlock__

1.3 堆block

int textA = 0;
void (^__strong textBlock)(void) = ^void {
    NSLog(@"%d",textA);
};
NSLog(@"Block is %@", textBlock);

在ARC下，捕获了外界变量(不需要__Block和手动调用copy)，就会被拷贝到堆区。

内部使用了局部变量或者oc属性，且赋值给强引用或者copy修饰的变量，为__NSMallocBlock__

总的来说，block是什么类型，先看它是否使用了外部变量，没使用就是全局block，不管是否强引用；使用了就是栈或者堆，这时候在判断block是否使用了强引用，强引用就是堆，否则就是栈。

1.4 其他的block

这三种block是系统提供程序员使用的，实际上还有另外三种block的存在，只是系统自身使用。

libclosure源码中存在如下定义：

/********************
NSBlock support    //block的根类
...
**********************/

//以下为所有的block子类型

void * _NSConcreteStackBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteMallocBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteAutoBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteFinalizingBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteGlobalBlock[32] = { 0 };
void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32] = { 0 };

总结：一共有6种block，它们都属于NSBlock，只不过只有其中3种是能使用到的

2.循环引用

block使用不当容易循环引用，导致页面无法被释放。

2.1 循环引用产生

self.block = ^{
    NSLog(@"%@",self.name);
};

[UIView animateWithDuration:1 animations:^{
    NSLog(@"%@",self.name);
}];

以上两个代码很明显是第一个会产生循环引用。

因为self持有了block，在block内部又持有了self，导致了互相持有。第二段代码不存在互相持有的关系。

要想断开互相持有的关系，必定要有一边弱引用。如果是开头弱引用会造成对象提早被置空的尴尬，那只能是尾部的对象弱引用。

是否循环引用，主要就是看是否能画出互相持有的关系图。比如例子中的：self -> block -> self

2.2 循环引用的解决

2.2.1 第一种方式（强弱共舞）

__weak typeof(self) weakSelf = self;

self.block = ^{
   NSLog(@"%@",weakSelf.name);
};
self.block();

把后面使用的self指向weakSelf，weakSelf是被添加到全局的弱引用表中，不会对引用计数做+1处理,当作用域结束时就会被释放。这样就达到目的了。

但只是这样处理是不保险的，如果在block内部执行的是耗时的方法，那在页面销毁时self就被释放，也就意味着弱应用表中的weakSelf被释放，因为它们是指向同一片内存地址，后续依赖weakSelf的操作自然也就毫无意义了。

正确的做法应该是在block内部在局部强引用下weakSelf，防止这种情况的发生。

因为这样操作后，在页面销毁时，self相当于还是被强持有，不会调用dealloc释放self，只有当2秒延时执行后，block内部的作用域结束，局部变量strongSelf是在栈空间，被系统回收，强持有结束，才会调用dealloc释放self。

__weak typeof(self) weakSelf = self; 
self.block = ^{        
    __strong typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%@",strongSelf.name);
    });
};
self.block();

所以最终正确的做法，应该是外部__weak修饰一下，内部在用__strong修饰一下。

2.2.2 第二种方式（手动置空）

__block ViewController *vc = self;
self.block = ^{
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%@",vc.name);
        vc = nil;
    });
};
self.block();

既然系统在weakSelf作用域结束时会自动置空，那也可以仿造此行为:

• 局部强应用self，在不需要时手动将其置空。

2.2.3 第三种方式（参数形式）

self.block = ^(ViewController * vc) {
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%@",vc.name);
    });
};
self.block(self);

前两种方法是持有已经形成，采用对尾部的对象弱引用的思想。而参数形式的方法是直接不让self被block持有，自然就没循环引用的可能了。

2.3 哪些页面有循环引用

实际开发中，页面没有及时释放，多半就是因为发生了循环引用。

这里提供一种检查页面是否释放的方式，在基类的dealloc方法中打印，打印的内容可以夸张些(表情符号之类)，易于识别。

- (void)dealloc {
KSLog(@"%@==========dealloc", NSStringFromClass([self class]));
}

当发现哪个页面pop之后却没有打印信息，就找找这个控制器中哪里存在循环引用吧。

总结：推荐使用的处理方式

• 手动置空的方式依赖于程序员的调用，如果忘记调用就存在循环引用，明显这是不可取的

• 参数形式很优雅，但是可能会导致block过重，可以使用

• 推荐使用第一种强弱共舞的方式，把对象生命周期交给系统管理是最可靠的，如果觉得写那两句代码很烦，可以用宏简化下

3.Block的clang分析

block的本质是什么，为什么能自动捕获变量，为什么需要调用等问题是我们关心的，这一切都需要看看block的底层结构。

block语法看起来好像很特别，其实它实际上是被做为普通的c语言源代码处理的。通过clang可以把block语法的源代码转化为c++源代码。虽说是c++源代码，但底层也是struct结构体，本质上还是c的源代码。

转换如下：

clang -rewrite-objc 源文件名称 -o 目标文件名称.cpp

如果头文件有用到系统库，需要指定下路径：

clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk 源文件名称 -o 目标文件名称.cpp

编写一个极为简单的block.c文件，

int main(){
    int textA = 10;
    void(^block)(void) = ^{
        printf("textA - %d",textA);
    };
    block();
    return 0;
}

转换后得到block.cpp，截取其中重要内容并简化后得到：

1.block的本质是什么

block被转化为__main_block_impl_0类型的结构体，内部还有__block_impl类型的结构体和__main_block_desc_0类型的结构体做为属性。

所以block的本质就是个结构体，是个对象，这也是为什么它能被%@打印的原因。

2.block为什么能捕获自动变量

看__main_block_impl_0内部的结构和main函数源代码。

block在使用自动变量时，把自动变量textA声明为自身__main_block_impl_0结构体内的一个属性，并在__main_block_impl_0构造函数传入textA将其赋值，所以能捕获自动变量。

3.block为什么需要调用

看block的实现函数，__main_block_impl_0内部的构造函数。

block的实现在底层被隐式的声明为__main_block_func_0函数，入参是__main_block_impl_0 类型的__cself，也就是自身。

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

__main_block_impl_0构造函数中，把__main_block_func_0当做入参，保存在__block_impl结构体内的FuncPtr属性。

所以需要外界调用block，也就是调用被保存的在自身的FuncPtr。

4.block为什么不能直接修改自动变量

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int textA = __cself->textA;
        printf("textA - %d",textA);
}

在使用自动变量时，把结构体内部的textA值以__cself->textA形式赋值给新声明的textA中，再对这个新声明的textA做操作。

如果直接修改自动变量，相当于修改的是新声明的这个textA，可外界希望修改的是原textA，显然这毫无意义，且会产生代码歧义，编译器不知道你要修改哪个textA，产生报错。

5.__block为什么能修改自动变量

增加__block修饰后，继续使用clang转换成新的.cpp文件。

转换后的代码增加了不少，和原先最主要的区别在于：

• textA被声明成__Block_byref_textA_0类型的结构体，不再是单纯的int

• 新增了__main_block_copy_0和__main_block_dispose_0函数，它们分别调用了_Block_object_assign和_Block_object_dispose(这两个函数后续分析)

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_textA_0 *textA = __cself->textA;
        (textA->__forwarding->textA)++;
        printf("textA - %d",(textA->__forwarding->textA));
}

在调用函数(图片写成结构体了)__main_block_func_0时，textA是使用__cself->textA方式获取到的被保存在__main_block_impl_0结构体内的textA指针。也就是原先传入的textA的，后续对textA的操作，就是对外界textA的操作。所以使用__block修饰后的自动变量可以被修改。

__Block_byref_textA_0 * __forwarding;

使用__block后，会生产__Block_byref类型的结构体，并且在结构体内部保存了指向自身的__forwarding指针，外界修改时，就是通过指针获取原自动变量进行修改

6.栈block何时拷贝到堆区

可以看到，__main_block_impl_0构造函数内的block的isa被定义为_NSConcreteStackBlock，可是在第一节block的类型中说明ARC捕获自动变量后为_NSConcreteMallocBlock。

那么可以肯定的是，一定是存在某种操作，使block产生从栈到堆的改变。

在block汇编源码中的第一次跳转objc_retainBlock时，打个断点，然后读取下x0寄存器的值

register read x0

证实此时的确是个_NSConcreteStackBlock，单步执行跟进去，

发现又跳转到_Block_copy这个函数，这个关键函数记住，后续还要分析。

在libObjc源码中搜索，也能确认objc_retainBlock就是调用了_Block_copy。

id objc_retainBlock(id x) {
    return (id)_Block_copy(x);
}

进到_Block_copy的汇编，在最后准备return的地方打上断点，再次读取x0寄存器的值

证实在调用_Block_copy前，block还是_NSConcreteStackBlock，调用之后变成了_NSConcreteMallocBlock。

block在构造函数初始化阶段确实是_NSConcreteStackBlock类型，只不过因为是ARC（未使用__block时），在合适的时机，系统会自动做拷贝到堆的操作，导致结果打印的类型却是_NSConcreteMallocBlock。

这里两次都读取x0寄存器的原因是不同的。第一次是因为做为函数的第一个参数，block被存放在x0寄存器；第二次是因为block做为返回值被存放在x0寄存器。

有以下的情况栈上的block都会被拷贝到堆上：

• 调用block的copy实例方法时

• block做为函数返回值返回时

• 将block赋值给带有__strong修饰符id类型的类或block类型成员变量时

• 在方法名中带有usingBlock的系统方法时

• 使用GCD的API传递的block

不过这些情况都是因为调用了_Block_copy函数。

需要注意的是：并非所有的block执行了_Block_copy都会变成堆block，比如全局block就不行。只有当是栈block时，这些情况才能成立。

7.block的签名是什么

在block的打印信息中可以看到：

signature: "v8@?0"

其中，v代表返回值是void，8代表8字节，而@？就代表block类型。

可以使用代码验证下：

[NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@?"]

flags {isObject,isBlock}

打印信息证明@?是isBlock，也是isObject。

总结：

• block本质是个结构体，是个对象

• block内部使用自动变量时，会把自动变量声明为自身结构体的属性，产生捕获的功能

• block的实现被保存在自身结构体中,需要外界调用

• 不能直接修改自动变量是因为：block内部会生成新的变量，这个变量和捕获的自动变量不是同一个(指向的地址不同，只是值相同)，

• 而使用__block修饰后，会生成相应的结构体，保存原始变量的指针，修改的就是原始的变量

• 调用_Block_copy后，栈block被拷贝到堆区，在堆区生成对应的block(必须是栈)

有趣的冷门小知识：

我们常说，block是带有自动变量的匿名函数。

但经过clang的分析，发现在.cpp底层中block其实也是有函数名称的，匿名是指外界不需要声明函数名。

并且它的名称有一定的规律：

block在函数中时格式为：

__函数名_block_impl_此block是函数中的第几个block

比如：__main_block_impl_0

block在方法中时格式为：

__文件名_方法名_block_impl_此block是方法中的第几个block

比如：__ViewController__addblcok__block_impl_0

多层嵌套时可以通过最后的参数查看是第几个block，这个小知识是本人测试所得，不敢保证全部情况试用。

4.block的底层原理

经过clang分析后，能大概明白block在底层是以什么样的方式存在的，但是它还不能说明一些东西。

比如：_Block_copy做了什么，__block是怎么实现的，_Block_object_assign和_Block_object_dispose又是什么。

这一切只能打开block的源码libclosure探索了。

这源码还是比较好理解的，内容也较少，推荐阅读

一共只有四个文件，且只需要关注Block_private.h和runtime.cpp这两个文件即可。

Block_private.h：主要是block相关的结构体声明和枚举值的定义

runtime.cpp:具体的实现

试想：

block的结构体在.cpp中命名是动态的，可真实的底层结构体命名不可能是动态的，一定有个与之匹配固定的结构体名称。

来到Block_private.h寻找，果然存在和.cpp中相同的结构体，只是名称不同。

4.1 block的结构体Block_layout

block真实的结构体如下：

struct Block_layout {
    void *isa;  //8字节
    volatile int32_t flags;  //4字节
    int32_t reserved;  //4字节
    BlockInvokeFunction invoke;  //8字节
    struct Block_descriptor_1 *descriptor;  // 8字节
};

struct Block_descriptor_1 {
    uintptr_t reserved;   //4字节
    uintptr_t size;   //4字节
};

struct Block_descriptor_2 {
    BlockCopyFunction copy;   //8字节
    BlockDisposeFunction dispose;   //8字节
};

struct Block_descriptor_3 {
    const char *signature;   //8字节
    const char *layout;   //8字节
};

• isa：block的类型指向，类似对象中的isa

• flags：标志位。且因为flags影响block的诸多操作，需要谨慎读取。所以使用volatile关键字以确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值

• reserved：系统保留字段，暂不使用

• invoke：保存block的实现部分

• Block_descriptor_1：block的大小信息，必有的

• Block_descriptor_2：block是否有copy和dispose函数，可选的

• Block_descriptor_3：block的签名和拓展，可选的

4.2 _Block_copy分析

之前分析发现Block_copy是个重要函数，现在来跟进分析下。

内部只是根据标志位flags做对应的操作

② BLOCK_IS_GLOBAL

如果是GLOBALBLOCK直接返回，这证明了调用Block_copy时，并不是都会被拷贝到堆上

③ // Its a stack block. Make a copy.

系统给出的注释，说明处理栈block。

调用malloc在堆上开辟空间，大小就是传入block的大小，把原block内存上的数据全部复制到新开辟的block上，然后设置新block的一些属性，最后把isa置为_NSConcreteMallocBlock。其中了调用_Block_call_copy_helper会做拷贝成员变量的工作，并且内部调用_Block_object_assign

① BLOCK_NEEDS_FREE

不确定此标志位的意思，但是反推下。已经有栈block和全局block的处理了，那它肯定包含堆block的处理。

static int32_t latching_incr_int(volatile int32_t *where) {
    while (1) {
        int32_t old_value = *where;
        if ((old_value & BLOCK_REFCOUNT_MASK) == BLOCK_REFCOUNT_MASK) {
            return BLOCK_REFCOUNT_MASK;
        }
        if (OSAtomicCompareAndSwapInt(old_value, old_value+2, where)) {
            return old_value+2;
        }
    }
}

只是对block的引用计数做处理。

_Block_copy所做的事，以下表格基本可以说明：

block的类型	原blcok存储域	复制效果
_NSConcreteStackBlock	栈	从栈复制到堆
_NSConcreteGlobalBlock	数据区	什么也不做
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用计数增加

4.3 _Block_object_assign分析

用__block修饰一个对象，然后重新生成.cpp。

发现__block会生成的对应结构体

而源码中也给出了Block_byref的结构体

struct Block_byref {
    void *isa;
    struct Block_byref *forwarding;
    volatile int32_t flags; // contains ref count
    uint32_t size;
};

struct Block_byref_2 {
    // requires BLOCK_BYREF_HAS_COPY_DISPOSE
    BlockByrefKeepFunction byref_keep;
    BlockByrefDestroyFunction byref_destroy;
};

struct Block_byref_3 {
    // requires BLOCK_BYREF_LAYOUT_EXTENDED
    const char *layout;
};

• isa：可能是结构体的类型，但是源码中赋值总是NULL

• forwarding:自身指向的指针

• flags：标志位

• size：大小

• byref_keep：__Block_byref_id_object_copy_131函数，也就是_Block_object_assign

• byref_destroy：__Block_byref_id_object_dispose_131函数，也就是_Block_object_dispose

__block对应结构体的构造函数

搜索构造函数中的第五个参数，

static void __Block_byref_id_object_copy_131(void *dst, void *src) {
 _Block_object_assign((char*)dst + 40, *(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}

发现直接调用了_Block_object_assign函数。

来到源码，

第一句是重点代码，但很容易被忽略：

const void **dest = (const void **)destArg;

block捕获变量时，使用二级指针指向真正的目标指针，这是block能使用__weak解决循环引用的关键所在。

不同的flags代表传入的是不同类型：

• BLOCK_FIELD_IS_OBJECT： 表示是一个对象
• BLOCK_FIELD_IS_BLOCK ：表示是一个block
• BLOCK_FIELD_IS_BYREF ：表示是一个byref，一个被__block修饰的变量
• BLOCK_FIELD_IS_WEAK：__block 变量还被 __weak 修饰时

① 如果是对象类型，调用_Block_retain_object

static void _Block_retain_object_default(const void *ptr __unused) { }

可是_Block_retain_object是个空实现，其实就是直接以指针的形式赋值*dest = object

这是因为，对象的引用计数是由ARC管理的，不需要block插手,只要通过指针获取即可。

② 如果是block类型，调用_Block_copy（已分析）

③ 如果是被__block修饰，调用_Block_byref_copy（新函数，下面分析）

④和⑤ 如果是其他类型，也是直接指针赋值即可。

大概可以看得出来，_Block_object_assign函数是根据捕获自动变量的类型做对应的内存管理。

至于为什么入参是硬编码+40，

从__block生成的结构体可以略知一二，

捕获的自动变量在结构体的偏移值为40字节，+40即可得到此自动变量。

4.3.1 捕获的变量类型

当用__weak修饰变量时：

当用__strong修饰变量时：

block捕获变量时还有一个特点：遇到强引用捕获的就是强引用，遇到弱引用捕获的就是弱引用。意味着在block结构体内声明的属性类型和修饰符与捕获的变量一致。而这会导致block捕获变量后引用计数产生区别。

4.4 _Block_byref_copy分析

当使用__block修饰，会调用_Block_byref_copy函数。

① 新生成一个Block_byref类型的结构体，并赋初始值，其中这两句代码至关重要

copy->forwarding = copy; 
src->forwarding = copy;  

堆上的结构体的forwarding指向自身，栈上的结构体的forwarding指向堆上

通过该功能，无论是在block语法中，还是block语法外使用__block变量，还是__block变量配置在栈上还是堆上，都可以顺利访问到同一个__block变量。

这也就说明了，为什么使用__block修饰的变量具有修改能力。

② 如果结构体的标志位为BLOCK_BYREF_HAS_COPY_DISPOSE，则向Block_byref结构体的byref_keep和byref_destroy赋值（也就是copy和DISPOSE函数），然后调用

(*src2->byref_keep)(copy, src);

其实也就是调用_Block_object_assign，对捕获的变量的内存进行操作。

③ 如果__block结构体本身已在堆上，直接对引用计数操作即可。

4.5 _Block_object_dispose分析

copy函数和dispose函数是堆block生命周期的开始和结束，他们对应的调用时机：

函数	调用时机
copy函数	栈上的block复制到堆时
dispose函数	堆上的block被废弃时

按释放顺序依次说明：

③ 调用_Block_release_object释放捕获的自动变量，不过其也是个空实现，变量的释放也是ARC管理的

① 调用_Block_byref_release减少引用计数

static void _Block_byref_release(const void *arg) {
    struct Block_byref *byref = (struct Block_byref *)arg;

    byref = byref->forwarding;
    
    if (byref->flags & BLOCK_BYREF_NEEDS_FREE) {
        int32_t refcount = byref->flags & BLOCK_REFCOUNT_MASK;
        os_assert(refcount);
        if (latching_decr_int_should_deallocate(&byref->flags)) {
            if (byref->flags & BLOCK_BYREF_HAS_COPY_DISPOSE) {
                struct Block_byref_2 *byref2 = (struct Block_byref_2 *)(byref+1);
                (*byref2->byref_destroy)(byref);
            }
            free(byref);
        }
    }
}

 byref = byref->forwarding;

通过结构体内部指向自身的forwarding指针找到自身（如果byref已经被拷贝，则取得是堆上的byref，否则是栈上的，栈上的不需要 release，也没有引用计数），如果是堆则减少引用计数，如果引用计数减到了0调用free释放(因为如果之前已经在堆上调用_Block_byref_copy只是引用计数加1，调用_Block_byref_release时也要一次一次减1)。

② 调用_Block_release减少引用计数

• 2.1 block在堆上，才需要release，在全局区和栈区直接返回.

• 2.2 引用计数减1，如果引用计数减到了0，调用free释放block

类似于拷贝时的一层层拷贝，释放也是一层层释放。

总结：

block从栈复制到堆上时，先复制自身到堆，在堆上生成对应的__block结构体(如果有使用__block)，在拷贝捕获的自动变量。

这个过程相当于三层拷贝对应三个函数，block自身拷贝（_Block_copy函数），__block拷贝（_Block_byref_copy函数），自动变量拷贝（_Block_object_assign函数）

而释放过程亦是如此。_Block_release_object处理捕获的自动变量，_Block_byref_release处理__block对应的结构体，__Block_release处理block自身。

写在后面

block的面试题，首先需要判断block的类型，因为作用域对它的影响是很大的，然后搞清楚不同作用域的block生命周期和block的函数处理，以及捕获变量时是啥捕啥的原理。

block的分析到此结束。后续会更新其他底层系列文章，敬请关注。