Block底层原理

iOS 底层原理 文章汇总

本文主要介绍block的类型、循环引用的解决方法以及block底层的分析

block 类型

block主要有三种类型

• __NSGlobalBlock__：全局block，存储在全局区

• __NSMallocBlock__：堆区block，因为block既是函数，也是对象

• __NSStackBlock__：栈区block

可以通过__weak不进行强持有，block就还是栈区block

总结

• block直接存储在全局区

• 如果block访问外界变量，并进行block相应拷贝，即copy

  • 如果此时的block是强引用，则block存储在堆区，即堆区block
  • 如果此时的block通过__weak变成了弱引用，则block存储在栈区，即栈区block

Block循环引用

• 正常释放：是指A持有B的引用，当A调用dealloc方法，给B发送release信号，B收到release信号，如果此时B的retainCount（即引用计数）为0时，则调用B的dealloc方法
• 循环引用：A、B相互持有，所以导致A无法调用dealloc方法给B发送release信号，而B也无法接收到release信号。所以A、B此时都无法释放

如下图所示

解决循环引用

请问下面两段代码有循环引用吗？

//代码一
NSString *name = @"CJL";
self.block = ^(void){
    NSLog(@"%@",self.name);
};
self.block();

//代码二
UIView animateWithDuration:1 animations:^{
    NSLog(@"%@",self.name);
};

代码一种发生了循环引用，因为在block内部使用了外部变量name，导致block持有了self，而self原本是持有block的，所以导致了self和block的相互持有。代码二中无循环引用，虽然也使用了外部变量，但是self并没有持有animation的block，仅仅只有animation持有self，不构成相互持有

解决循环引用常见的方式有以下几种;

• 【方式一】weak-strong-dance
• 【方式二】__block修饰对象（需要注意的是在block内部需要置空对象，而且block必须调用）
• 【方式三】传递对象self作为block的参数，提供给block内部使用
• 【方式四】使用NSProxy

方式一：weak-stong-dance

• 如果block内部并未嵌套block，直接使用__weak修饰self即可

typedef void(^CJLBlock)(void);

@property(nonatomic, copy) CJLBlock cjlBlock;

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.cjlBlock = ^(void){
     NSLog(@"%@",weakSelf.name);
}

此时的weakSelf 和 self 指向同一片内存空间，且使用__weak不会导致self的引用计数发生变化，可以通过打印weakSelf和self的指针地址，以及self的引用计数来验证，如下所示

• 如果block内部嵌套block，需要同时使用__weak 和 __strong

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.cjlBlock = ^(void){
    __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.cjlBlock();

其中strongSelf是一个临时变量，在cjlBlock的作用域内，即内部block执行完就释放strongSelf

这种方式属于打破self对block的强引用，依赖于中介者模式，属于自动置为nil，即自动释放

方式二：__block修饰变量

这种方式同样依赖于中介者模式，属于手动释放，是通过__block修饰对象，主要是因为__block修饰的对象是可以改变的

__block ViewController *vc = self;
self.cjlBlock = ^(void){
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%@",vc.name);
        vc = nil;//手动释放
    });
};
self.cjlBlock();

需要注意的是这里的block必须调用，如果不调用block，vc就不会置空，那么依旧是循环引用，self和block都不会被释放

方式三：对象self作为参数

主要是将对象self作为参数，提供给block内部使用，不会有引用计数问题

typedef void(^CJLBlock)(ViewController *);

@property(nonatomic, copy) CJLBlock cjlBlock;

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

下面介绍循环引用的第4种方式，即使用NSProxy虚拟类

NSProxy 虚拟类

• OC是只能单继承的语言，但是它是基于运行时的机制，所以可以通过NSProxy来实现 伪多继承，填补了多继承的空白
• NSProxy 和 NSObject是同级的一个类，也可以说是一个虚拟类，只是实现了NSObject的协议
• NSProxy 其实是一个消息重定向封装的一个抽象类，类似一个代理人，中间件，可以通过继承它，并重写下面两个方法来实现消息转发到另一个实例

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation;
- (nullable NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel

使用场景

NSProxy的使用场景主要有两种

• 实现多继承功能
• 解决了NSTimer&CADisplayLink创建时对self强引用问题，参考YYKit的YYWeakProxy。

循环引用解决原理

主要是通过自定义的NSProxy类的对象来代替self，并使用方法实现消息转发

下面是NSProxy子类的实现以及使用的场景

• 自定义一个NSProxy的子类CJLProxy

@interface CJLProxy : NSProxy

- (id)transformObjc:(NSObject *)objc;

+ (instancetype)proxyWithObjc:(id)objc;

@end

@interface CJLProxy ()

@property(nonatomic, weak, readonly) NSObject *objc;

@end

@implementation CJLProxy

- (id)transformObjc:(NSObject *)objc{
   _objc = objc;
    return self;
}

+ (instancetype)proxyWithObjc:(id)objc{
    return  [[self alloc] transformObjc:objc];
}



//2.有了方法签名之后就会调用方法实现
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation{
    SEL sel = [invocation selector];
    if ([self.objc respondsToSelector:sel]) {
        [invocation invokeWithTarget:self.objc];
    }
}

//1、查询该方法的方法签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel{
    NSMethodSignature *signature;
    if (self.objc) {
        signature = [self.objc methodSignatureForSelector:sel];
    }else{
        signature = [super methodSignatureForSelector:sel];
    }
    return signature;
}

- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector{
    return [self.objc respondsToSelector:aSelector];
}

@end

• 自定义Cat类和Dog类

//********Cat类********
@interface Cat : NSObject
@end

@implementation Cat
- (void)eat{
   NSLog(@"猫吃鱼");
}
@end

//********Dog类********
@interface Dog : NSObject
@end

@implementation Dog
- (void)shut{
    NSLog(@"狗叫");
}
@end

• 通过CJLProxy实现多继承功能

- (void)cjl_proxyTest{
    Dog *dog = [[Dog alloc] init];
    Cat *cat = [[Cat alloc] init];
    CJLProxy *proxy = [CJLProxy alloc];
    
    [proxy transformObjc:cat];
    [proxy performSelector:@selector(eat)];
    
    [proxy transformObjc:dog];
    [proxy performSelector:@selector(shut)];
}

• 通过CJLProxy解决定时器中self的强引用问题

self.timer = [NSTimer timerWithTimeInterval:1 target:[CJLProxy proxyWithObjc:self] selector:@selector(print) userInfo:nil repeats:YES];
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addTimer:self.timer forMode:NSRunLoopCommonModes];

总结

循环应用的解决方式从根本上来说就两种，以self -> block -> self为例

• 打破self 对 block的强引用，可以block属性修饰符使用weak，但是这样会导致block还每创建完就释放了，所以从这里打破强引用行不通

• 打破block对self的强引用，主要就是self的作用域和block作用域的通讯，通讯有代理、传值、通知、传参等几种方式，用于解决循环，常见的解决方式如下：

  • weak-strong-dance
  • __block(block内对象置空，且调用block)
  • 将对象self作为block的参数
  • 通过NSProxy的子类代替self

Block 底层分析

主要是通过clang、断点调试等方式分析Block底层

本质

• 定义block.c文件

#include "stdio.h"

int main(){

    void(^block)(void) = ^{
        printf("CJL");
    };
    return 0;
}

• 通过xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch x86_64 -rewrite-objc block.c，将block.c 编译成 block.cpp，其中block在底层被编译成了以下的形式

int main(){
    void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));

     ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    return 0;
}

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
        printf("CJL");
}

//******简化******
void(*block)(void) = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));//构造函数

block->FuncPtr(block);//block调用执行

相当于block等于__main_block_impl_0，是一个函数

• 查看__main_block_impl_0，是一个结构体，同时可以说明block是一个__main_block_impl_0类型的对象，这也是为什么block能够%@打印的原因

//**block代码块的结构体类型**
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;
  }
};

//**block的结构体类型**
struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};

总结：block的本质是对象、函数、结构体，由于block函数没有名称，也被称为匿名函数

block通过clang编译后的源码间的关系如下所示，以__block修饰的变量为例

1、block为什么需要调用

在底层block的类型__main_block_impl_0结构体，通过其同名构造函数创建，第一个传入的block的内部实现代码块，即__main_block_func_0，用fp表示，然后赋值给impl的FuncPtr属性，然后在main中进行了调用，这也是block为什么需要调用的原因。如果不调用，block内部实现的代码块将无法执行，可以总结为以下两点

• 函数声明：即block内部实现声明成了一个函数__main_block_func_0
• 执行具体的函数实现：通过调用block的FuncPtr指针，调用block执行

2、block是如何获取外界变量的

• 定义一个变量，并在block中调用

int main(){
    int a = 11;
    void(^block)(void) = ^{
        printf("CJL - %d", a);
    };
    
     block();
    return 0;
}

• 底层编译成下面这样

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;//编译时就自动生成了相应的变量
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;//block的isa默认是stackBlock
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy 值拷贝，即 a = 10，此时的a与传入的__cself的a并不是同一个

        printf("CJL - %d", a);
}
    
int main(){

    int a = 11;
    void(*block)(void) = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));

     block)->FuncPtr(block);
    return 0;
}

__main_block_func_0中的a是值拷贝，如果此时在block内部实现中作 a++操作，是有问题的，会造成编译器的代码歧义，即此时的a是只读的

总结：block捕获外界变量时，在内部会自动生成同一个属性来保存

__block的原理

• 对a加一个__block，然后在block中对a进行++操作

int main(){

    __block int a = 11;
    void(^block)(void) = ^{
        a++;
        printf("CJL - %d", a);
    };
    
     block();
    return 0;
}