前言

之前,我们在探索动画及渲染相关原理的时候,我们输出了几篇文章,解答了iOS动画是如何渲染,特效是如何工作的疑惑。我们深感系统设计者在创作这些系统框架的时候,是如此脑洞大开,也 深深意识到了解一门技术的底层原理对于从事该方面工作的重要性。

因此我们决定 进一步探究iOS底层原理的任务。在这篇文章中我们围绕Block展开,会逐个探索:Block对象类型(本质)与内存布局、变量捕获、Block的种类、Block的修饰符、内存管理、循环引用

一、Block的基本语法和使用介绍

在探索Block的底层原理之前,我们需要先回顾一下Block在日常开发中的使用和相关的语法。可以通过我之前发表的这篇文章进行温故知新:Block的基本语法和使用介绍

二、探索block的本质

1. 一个简单的Block

首先写一个简单的block,将其转换成C++伪代码,查看一下其内部结构:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int age = 10;
        void(^block)(int ,int) = ^(int a, int b){
            NSLog(@"this is block,a = %d,b = %d",a,b);
            NSLog(@"this is block,age = %d",age);
        };
        block(3,5);
    }
    return 0;
}

使用命令行将代码转化为C++查看其内部结构，与OC代码进行比较

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m

上图中将C++中block的声明和定义分别与oc代码中相对应显示。
将C++中block的声明和调用分别取出来查看其内部实现。

1.1 定义block变量

// 定义block变量代码
void(*block)(int ,int) = ((void (*)(int, int))&__main_block_impl_0(
(void *)__main_block_func_0, 
&__main_block_desc_0_DATA, age)
);

• 一个函数:
  • 上述定义代码中，可以发现，block定义中调用了__main_block_impl_0函数
  • 并且将__main_block_impl_0函数的地址赋值给了block

那么我们来看一下__main_block_impl_0函数内部结构。

1.2 __main_block_imp_0结构体

• 构造函数:
  • __main_block_imp_0结构体内有一个同名构造函数__main_block_imp_0
  • 构造函数中对一些变量进行了赋值最终会返回一个结构体

那么也就是说最终将一个__main_block_imp_0结构体的内存地址赋值给了block变量

• 构造函数的参数:
  • __main_block_impl_0构造函数中传入了四个参数:
    • (void *)__main_block_func_0
    • &__main_block_desc_0_DATA
    • age
    • flags
      • 其中flage有默认值，也就说flage参数在调用的时候可以省略不传。
      • 而最后的 age(_age)则表示传入的_age参数会自动赋值给age成员，相当于age = _age

接下来着重看一下前面三个参数分别代表什么。

1.2.1 第一个参数:(void *)__main_block_func_0

从代码中我们可以看到:

• 在__main_block_func_0函数中首先取出block中age的值
• 紧接着可以看到两个熟悉的NSLog
• 我们不难发现这两段代码恰恰是我们在block块中写下的代码。
• 我们不难得出结论：
  • __main_block_func_0函数中其实存储着我们在block中写下的代码
  • 而__main_block_impl_0函数中传入的是(void *)__main_block_func_0
    • 也就说将我们写在block块中的代码封装成__main_block_func_0函数
    • 并将__main_block_func_0函数的地址传入了__main_block_impl_0的构造函数中保存在结构体内

1.2.2 第二个参数: &__main_block_desc_0_DATA

从代码中我们可以看到:

• __main_block_desc_0中存储着两个参数:reserved和Block_size
• 并且reserved默认赋值为0
• 而Block_size则存储着__main_block_impl_0的占用空间大小
• 最终将__main_block_desc_0结构体的地址传入__main_block_impl_0的构造函数中赋值给Desc

1.2.3 第三个参数:age

age是我们前面定义的局部变量

我们可以先敲一段代码做一个简单的尝试

int age = 10;
void(^block)(int ,int) = ^(int a, int b){
     NSLog(@"this is block,a = %d,b = %d",a,b);
     NSLog(@"this is block,age = %d",age);
};
age = 20;
block(3,5); 
// log: this is block,a = 3,b = 5
//      this is block,age = 10

打印结果:

• 通过打印结果,我们发现,在Block内部打印的age是在它被重新赋值之前,也就是Block定义之前的旧值10

值传递:

• 我们前面将OC代码 通过 命令行编译 成C++之后的代码中我们也可以看到,传如Block中的age是 值传递
• 且,经过前面的简单尝试,我们也不难得出结论:这里Block捕获到的值,是在Block定义代码中,第一次编译之后就确认了 地址传递:
• 而另外两个参数:(void *)__main_block_func_0、&__main_block_desc_0_DATA,都是地址传递
• 通过地址传递,在被调用时候,才有寻址操作

因此在block定义之后对局部变量进行改变是无法被block捕获的。

1.3 进一步查看__main_block_impl_0结构体

1.3.1 第一个成员:__block_impl结构体

首先我们看一下__main_block_impl_0结构体的第一个成员变量__block_impl结构体：

通过代码我们不难发现:

• isa指针:
  • __block_impl结构体内部就有一个isa指针
  • 因此可以证明 block本质上就是一个oc对象
  • 而通过构造函数初始化的__main_block_impl_0结构体实例的内存地址赋值给block变量
    • 通过block变量的指针指向的地址(也就是)__main_block_impl_0实例的地址,可以拿到 结构体中的 第一个成员 __block_impl的地址
    • 进而去获取内部的 isa指针、FuncPtr等进行操作

1.3.2 第二个成员:__main_block_desc_0结构体

我们在前面 1.2.2 &__main_block_desc_0_DATA 中已经 探索过该结构体:

• __main_block_desc_0中存储着两个参数:reserved和Block_size
• 并且reserved默认赋值为0
• 而Block_size则存储着__main_block_impl_0的占用空间大小
• 最终将__main_block_desc_0结构体的地址传入__main_block_impl_0的构造函数中赋值给Desc

1.4 总结

通过前面的探索,我们可以得出结论：

• 1. Block的本质:
  • __block_impl结构体中isa指针,我们前面探索OC对象的本质,知道,每一个继承自NSObject的对象,都有isa指针
  • 因此Block本质上是一个OC对象
  • 我们通过简单打印调试,可以看到此时的Block的具体类型为_NSConcreteStackBlock类型
• 2. Block的执行函数:
  • block代码块中的代码被封装成__main_block_func_0函数
  • FuncPtr则存储着__main_block_func_0函数的地址。
• 3. 对象内存:
  • Desc指向__main_block_desc_0结构体对象，其中存储__main_block_impl_0结构体所占用的内存。

2. 调用block执行内部代码

// 执行block内部的代码
((void (*)(__block_impl *, int, int))((__block_impl *)block)->FuncPtr)
                                      ((__block_impl *)block,
                                                         3, 
                                                        5);

结构体的指针:

• 通过上述代码可以发现调用block是通过block找到FunPtr直接调用
• 通过前面的分析我们知道block指向的是__main_block_impl_0类型结构体
• 但是我们发现__main_block_impl_0结构体中并不能直接找到FunPtr(FunPtr是存储在__block_impl中的
• 那么为什么block可以直接调用__block_impl中的FunPtr呢？

  • 重新查看上述源代码可以发现:

    • 类型强转: (__block_impl *)block将block强制转化为__block_impl类型
    • 结构体的第一个成员: 又因为__block_impl是__main_block_impl_0结构体的第一个成员(结构体本身的内存地址,就是指向其内部第一个成员的地址。这是C语言中指针的知识)
    • 所以可以根据类型强转后拿到的内存地址,找到FunPtr成员并执行

  • 从前面的分析我们知道，FunPtr中存储着通过代码块封装的代码的函数地址，那么调用此函数，也就是会执行代码块中的代码。

  • 并且回头查看__main_block_func_0函数，可以发现第一个参数就是__main_block_impl_0类型的指针。也就是说将block传入__main_block_func_0函数中，便于重中取出block捕获的值。

3. 如何验证block的本质确实是__main_block_impl_0结构体类型。

我们可以通过手写与之相似的结构体代码,并在OC代码中,对Block进行类型强转。
进而通过调用类型强转之后的结构体对象,查看一下打印结果,看看是否能够跟以往OC代码中的Block一样调用代码块中,且给出一样的 打印结果

struct __main_block_desc_0 { 
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
};
struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
// 模仿系统__main_block_impl_0结构体
struct __main_block_impl_0 { 
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int age;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int age = 10;
        void(^block)(int ,int) = ^(int a, int b){
            NSLog(@"this is block,a = %d,b = %d",a,b);
            NSLog(@"this is block,age = %d",age);
        };
// 将底层的结构体强制转化为我们自己写的结构体，通过我们自定义的结构体探寻block底层结构体
        struct __main_block_impl_0 *blockStruct = (__bridge struct __main_block_impl_0 *)block;
        block(3,5);
    }
    return 0;
}

通过代码证明：我们将block内部的结构体强制转化为自定义的结构体，转化成功说明底层结构体确实如我们之前分析结果的一样。

通过打断点可以看出我们自定义的结构体可以被赋值成功，以及里面的值。

接下来断点来到block代码块中，看一下堆栈信息中的函数调用地址。Debuf workflow -> always show Disassembly

通过上图可以看到地址确实和FuncPtr中的代码块地址一样。

4.总结

此时已经基本对block的底层结构有了基本的认识，上述代码可以通过一张图展示其中各个结构体之间的关系。

• 各个结构体之间的关系
• block底层的数据结构
  • block底层的数据结构也可以通过一张图来展示:
• 对block有一个基本的认识:
  • block本质上也是一个oc对象，ta内部也有一个isa指针
  • block是封装了函数调用以及函数调用环境的OC对象(Block可能会读外部的值有捕获)

三、Block对变量的捕获

我们在前面的篇幅中,得知Block对变量 可能存在 值捕获 的现象。那么我们顺着这个思路进一步探索 Block对变量 捕获的原理

为了保证block内部能够正常访问外部的变量，block有一个变量捕获机制。

1. 局部变量

1.1 auto变量

在OC中,局部变量的类型 本质上就是auto变量

我们在前面的篇幅中已经了解过block对局部变量age的捕获

我们得出了结论:

• auto自动变量，离开作用域就销毁，通常局部变量前面自动添加auto关键字。
• 自动变量的值会被捕获到block内部，也就是说block内部会专门新增加一个参数来存储变量的值。
• 值传递: auto只存在于局部变量中，访问方式为值传递，通过前面篇幅的探索我们也可以确定对auto变量age的捕获 确实是值传递。

1.2 static变量

接下来分别添加aotu修饰的局部变量和static修饰的局部变量，重看源码来看一下他们之间的差别。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        auto int a = 10;
        static int b = 11;
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"hello, a = %d, b = %d", a,b);
        };
        a = 1;
        b = 2;
        block();
    }
    return 0;
}
// log : block本质[57465:18555229] hello, a = 10, b = 2
// block中a的值没有被改变而b的值随外部变化而变化。

重新生成c++代码看一下内部结构中两个参数的区别:

从代码中我们不难看出看出:

• a,b两个变量都有捕获到block内部
• 但是a传入的是值，而b传入的则是地址

为什么两种变量会有这种差异呢?

• 因为自动变量可能会销毁，block在执行的时候有可能自动变量已经被销毁了，那么此时如果再去访问被销毁的地址肯定会发生坏内存访问，因此对于自动变量一定是值传递而不可能是指针传递了。
• 而静态变量不会被销毁，所以完全可以传递地址。而因为传递的是值得地址，所以在block调用之前修改地址中保存的值，block中的地址是不会变得。所以值会随之改变。

结论:

• 指针传递: static 修饰的变量为指针传递，同样会被block捕获。

2. 全局变量

我们同样以代码的方式看一下block是否捕获全局变量

int a = 10;
static int b = 11;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"hello, a = %d, b = %d", a,b);
        };
        a = 1;
        b = 2;
        block();
    }
    return 0;
}
// log hello, a = 1, b = 2

同样生成c++代码查看全局变量调用方式:

通过上述代码可以发现，__main_block_imp_0并没有添加任何变量，因此block不需要捕获全局变量，因为全局变量无论在哪里都可以被访问。

局部变量因为跨函数访问所以需要捕获，全局变量在哪里都可以访问 ，所以不用捕获。

3. 总结

• 局部变量: 都会被block捕获
  • 自动变量是值捕获
  • 静态变量为地址捕获
• 全局变量: 全局变量则不会被block捕获

4.疑问：以下代码中block是否会捕获变量呢？

#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)test
{
    void(^block)(void) = ^{
        NSLog(@"%@",self);
    };
    block();
}
- (instancetype)initWithName:(NSString *)name
{
    if (self = [super init]) {
        self.name = name;
    }
    return self;
}
+ (void) test2
{
    NSLog(@"类方法test2");
}
@end

同样转化为c++代码查看其内部结构

从代码中,我们不难发现:

• self同样被block捕获
• 接着我们找到test方法可以发现，test方法默认传递了两个参数self和_cmd
• 而类方法test2也同样默认传递了类对象self和方法选择器_cmd

不论对象方法还是类方法都会默认将self作为参数传递给方法内部，既然是作为参数传入，那么self肯定是局部变量。上面讲到局部变量肯定会被block捕获。

接着我们来看一下如果在block中使用成员变量或者调用实例的属性会有什么不同的结果。

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

上图中可以发现，即使block中使用的是实例对象的属性，block中捕获的仍然是实例对象，并通过实例对象通过不同的方式去获取使用到的属性。

四、Block的种类

1. block的class

block对象是什么类型的?

在前面探索 block对auto变量age的时候,我们通过调试得出了结论:block中的isa指针指向的是_NSConcreteStackBlock类对象地址。

那么block是否就是_NSConcreteStackBlock类型的呢？

我们通过代码用class方法或者isa指针查看具体类型。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // __NSGlobalBlock__ : __NSGlobalBlock : NSBlock : NSObject
        void (^block)(void) = ^{
            NSLog(@"Hello");
        };
        
        NSLog(@"%@", [block class]);
        NSLog(@"%@", [[block class] superclass]);
        NSLog(@"%@", [[[block class] superclass] superclass]);
        NSLog(@"%@", [[[[block class] superclass] superclass] superclass]);
    }
    return 0;
}

打印内容

从上述打印内容可以看出：

• block最终都是继承自NSBlock类型，而NSBlock继承于NSObjcet
• 那么block其中的isa指针其实是来自NSObject中的。我们在这一步进一步验证了block的本质就是OC对象

2. 探索Block的类型

2.1 block的三种类型

我们首先手写三个block：

• 不捕获变量的Block
• 捕获变量的Block
• 匿名Block 通过代码查看一下block在什么情况下其类型会各不相同:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 1. 内部没有调用外部变量的block
        void (^block1)(void) = ^{
            NSLog(@"Hello");
        };
        // 2. 内部调用外部变量的block
        int a = 10;
        void (^block2)(void) = ^{
            NSLog(@"Hello - %d",a);
        };
       // 3. 直接调用的block的class
        NSLog(@"%@ %@ %@", [block1 class], [block2 class], [^{
            NSLog(@"%d",a);
        } class]);
    }
    return 0;
}

打印结果:

我们不难发现出现了三种类型的Block:

__NSGlobalBlock__ （ _NSConcreteGlobalBlock ）
__NSStackBlock__ （ _NSConcreteStackBlock ）
__NSMallocBlock__ （ _NSConcreteMallocBlock ）

• 但我们将上述代码转化为c++代码查看源码时却发现block的类型与打印出来的类型不一样
  • c++源码中三个block的isa指针全部都指向_NSConcreteStackBlock类型地址。
• 我们可以猜测runtime运行时过程中也许对类型进行了转变
  • 最终类型当然以runtime运行时类型也就是我们打印出的类型为准。

五、Block的内存管理

1. 了解程序的内存分区

• 1. 代码区 code
  • 程序被操作系统加载到内存时，所有可执行的代码被加载到代码区，也叫代码段
  • 程序运行这段时间该区域数据不可被修改只可以被执行。
• 2. 静态区
  • 程序被加载到内存时就已经分配好，程序退出时才从内存中消失
  • 存储静态变量和全局变量。代码执行期间一直占用内存！
• 3. 栈区
  • 一种先进后出的存储结构，所有的自动变量（auto修饰的相当于局部变量）,函数的参数，函数的返回值都是栈区变量
  • 不需要用户申请释放，编译器自动完成。
• 4. 堆区 heap
  • 一个比较大的内存容器（比栈大），需要我们手动的申请和释放内存。
  • 在C语言中,堆区内存的使用函数：头文件#include <stdlib.h>
    • 1：malloc 申请堆区内存。 void * malloc(size_t size);
      • size为申请的内存的字节数。申请的空间随机不会初始化， 所以不知道内部值是多少。
    • 2：free 释放申请的内存。 free(void *ptr);
      • 只能释放你申请的内存，不然就会出错。
    • 3: calloc 申请堆区内存。 void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
      • nmemb:指定单位的数量，size;单位的数量。
      • 例子：malloc(10*sizeof(int)); == calloc(10,sizeof(int)); 区别：malloc申请的内存不负责初始化，而calloc申请的内存已经初始化为0.
    • 4：realloc 可以扩大之前申请的内存 void *realloc(void *ptr, size_t size);
      • ptr 要扩充的区域地址，size 扩充之后的大小。
      • 例子：char *a=(char )malloc(10sizeof(char));//10个字节
      • realloc(a,100);//增加为100个字节，也不会初始化。

2 探索Block对其类型的具体定义

因为在ARC环境中,编译器会帮我们管理内存,为了便于探索观察,我们可以先关闭ARC回到MRC环境下

// MRC环境！！！
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // Global：没有访问auto变量：__NSGlobalBlock__
        void (^block1)(void) = ^{
            NSLog(@"block1---------");
        };   
        // Stack：访问了auto变量： __NSStackBlock__
        int a = 10;
        void (^block2)(void) = ^{
            NSLog(@"block2---------%d", a);
        };
        NSLog(@"%@ %@", [block1 class], [block2 class]);
        // __NSStackBlock__调用copy ： __NSMallocBlock__
        NSLog(@"%@", [[block2 copy] class]);
    }
    return 0;
}

查看打印内容

通过打印的结果我们不难得知:

• __NSGlobalBlock__:
  • 没有访问auto变量的block是__NSGlobalBlock__类型的，存放在数据段中(代码区)
• __NSStackBlock__:
  • 访问了auto变量的block是__NSStackBlock__类型的，存放在栈中
• __NSMallocBlock__:
  • __NSStackBlock__类型的block调用copy成为__NSMallocBlock__类型并被复制存放在堆中
• ps:对于不同Block存在在那块内存区域,需要根据打印其对象地址 且打断点 结合 查看汇编 中呈现 的 不同 内存区域的 地址进行比对 做适量推测。此处的结论 参考 自 《Effective-ObjectiveC》一书

block是如何定义其类型，依据什么来为block定义不同的类型并分配在不同的空间呢？首先看下面一张图

3. block在内存中的存储

通过下面一张图看一下不同block的存放区域

上图中可以发现，根据block的类型不同，block存放在不同的区域中。 数据段中的__NSGlobalBlock__直到程序结束才会被回收，不过我们很少使用到__NSGlobalBlock__类型的block，因为这样使用block并没有什么意义。

__NSStackBlock__类型的block存放在栈中，我们知道栈中的内存由系统自动分配和释放，作用域执行完毕之后就会被立即释放，而在相同的作用域中定义block并且调用block似乎也多此一举。

__NSMallocBlock__是在平时编码过程中最常使用到的。存放在堆中需要我们自己进行内存管理。 上面提到过__NSGlobalBlock__类型的我们很少使用到，因为如果不需要访问外界的变量，直接通过函数实现就可以了，不需要使用block。

但是__NSStackBlock__访问了auto变量，并且是存放在栈中的，上面提到过，栈中的代码在作用域结束之后内存就会被销毁，那么我们很有可能block内存销毁之后才去调用他，那样就会发生问题，通过下面代码可以证实这个问题。

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

此时查看打印内容

可以发现a的值变为了不可控的一个数字。为什么会发生这种情况呢？

因为上述代码中创建的block是__NSStackBlock__类型的，因此block是存储在栈中的，那么当test函数执行完毕之后，栈内存中block所占用的内存已经被系统回收，因此原来的就有可能出现。查看其c++代码可以更清楚的理解。

为了避免这种情况发生，可以通过copy将__NSStackBlock__类型的block转化为__NSMallocBlock__类型的block，将block存储在堆中，以下是修改后的代码。

void (^block)(void);
void test()
{
    // __NSStackBlock__ 调用copy 转化为__NSMallocBlock__
    int age = 10;
    block = [^{
        NSLog(@"block---------%d", age);
    } copy];
    [block release];
}

此时在打印就会发现数据正确

那么其他类型的block调用copy会改变block类型吗？下面表格已经展示的很清晰了。

所以在平时开发过程中:

• MRC环境下经常需要使用copy来保存block，将栈上的block拷贝到堆中，即使栈上的block被销毁，堆上的block也不会被销毁，需要我们自己调用release操作来销毁
• 而在ARC环境下系统会自动调用copy操作，使block不会被销毁

4.ARC帮我们做了什么

在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的block进行一次copy操作，将block复制到堆上。

什么情况下ARC会自动将block进行一次copy操作？ 以下代码都在RAC环境下执行。

1. block作为函数返回值时

typedef void (^Block)(void);
Block myblock()
{
    int a = 10;
    // 前面探索时提到过，block中访问了auto变量，此时block类型应为__NSStackBlock__
    Block block = ^{
        NSLog(@"---------%d", a);
    };
    return block;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Block block = myblock();
        block();
       // 打印block类型为 __NSMallocBlock__
        NSLog(@"%@",[block class]);
    }
    return 0;
}

看一下打印的内容:

• 在前面篇幅探索过程中得出一个结论:在block中访问了auto变量时，block的类型为__NSStackBlock__
• 上面打印结果却显示blcok为__NSMallocBlock__类型的，并且可以正常打印出a的值，说明block内存并没有被销毁
• 在前面篇幅探索过程中也得出一个结论: __NSStackBlock__类型的block 进行copy操作会转化为__NSMallocBlock__类型
• 那么说明ARC环境中，当block作为函数返回值时会自动帮助我们对block进行copy操作，并保存block的内存，并在适当的地方进行release操作。

2. 将block赋值给__strong指针时

block被强指针引用时，ARC环境下 编译器也会自动对block进行一次copy操作。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // block内没有访问auto变量
        Block block = ^{
            NSLog(@"block---------");
        };
        NSLog(@"%@",[block class]);
        int a = 10;
        // block内访问了auto变量，但没有赋值给__strong指针
        NSLog(@"%@",[^{
            NSLog(@"block1---------%d", a);
        } class]);
        // block赋值给__strong指针(通过一个类型来构造定义一个对象,默认是__strong指针)
        Block block2 = ^{
          NSLog(@"block2---------%d", a);
        };
        NSLog(@"%@",[block1 class]);
    }
    return 0;
}

查看打印内容可以看出，当block被赋值给__strong指针时，在ARC会环境下自动进行一次copy操作。

3. block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时

例如：遍历数组的block方法，将block作为参数的时候。

NSArray *array = @[];
[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id  _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) {
            
}];

4. block作为GCD API的方法参数时

例如：GDC的一次性函数或延迟执行的函数，执行完block操作之后系统才会对block进行release操作。

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
            
});        
dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
            
});

5.block声明写法

通过上面对MRC及ARC环境下block的不同类型的分析，总结出不同环境下block属性建议写法。

MRC下block属性的建议写法

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

ARC下block属性的建议写法

@property (strong, nonatomic) void (^block)(void); @property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

六、Block的修饰符

1. __weak修饰

• 如下代码

// 定义block
typedef void (^HPBlock)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        HPBlock block;
        
        {
            HPPerson *person = [[HPPerson alloc]init];
            person.age = 10;

            __weak HPPerson *weakPerson = person;
            
            block = ^{
                NSLog(@"---------%d", weakPerson.age);
            };
            
             NSLog(@"block.class = %@",[block class]);
        }
       
        NSLog(@"block销毁");
    }
    return 0;
}

• 输出为

iOS-block[3687:42147] block.class = __NSMallocBlock__
iOS-block[3687:42147] -[HPPerson dealloc]
iOS-block[3687:42147] block销毁

我们将代码转换成cpp伪代码查看下:

注意：

• 在使用clang转换OC为C++代码时，可能会遇到以下问题 cannot create __weak reference in file using manual reference
• 解决方案：支持ARC、指定运行时系统版本，比如 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

生成之后，可以看到，如下代码，MRC情况下，生成的代码明显多了,这是因为ARC自动进行了copy操作

 //copy 函数
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*); 
  //dispose函数
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*); 

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  //weak修饰
   HPPerson *__weak weakPerson;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, HPPerson *__weak _weakPerson, int flags=0) : weakPerson(_weakPerson) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};


static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  //copy 函数
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  
  //dispose函数
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = {
 0, 
 sizeof(struct __main_block_impl_0),
  __main_block_copy_0,
   __main_block_dispose_0
};


//copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {

//asssgin会对对象进行强引用或者弱引用
_Block_object_assign((void*)&dst->person, 
(void*)src->person, 
3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

//dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {
_Block_object_dispose((void*)src->person, 
3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

1.1 小结

无论是MRC还是ARC
当block内部访问了对象类型的auto变量时:

• 如果block在栈上（即当block为__NSStackBlock__类型时候），将不会auto变量进行强引用
• 如果block被拷贝在堆上(即当block为__NSMallocBlock__类型时候）
  • 会调用block内部的copy函数
  • copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
  • _Block_object_assign函数会根据auto变量的修饰符是__strong、__weak、__unsafe_unretained做出相应的操作,形成强引用(retain)或者弱引用。
• 如果block从堆上移除
  • 会调用block内部的dispose函数
  • dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
  • _Block_object_dispose函数会自动释放引用的auto变量（release） 其实也很好理解，因为block本身就在栈上，自己都随时可能消失，怎么能保住别人的命呢？

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

2.__block修饰符

先从一个简单的例子说起，请看下面的代码

// 定义block
typedef void (^HPBlock)(void);

int age = 10;
HPBlock block = ^{
    NSLog(@"age = %d", age);
};
block();

代码很简单，运行之后，输出

age = 10

上面的例子在block中访问外部局部变量，那么问题来了，如果想在block内修改外部局部的值，怎么做呢？

2.1 修改局部变量的三种方法

2.1.1 写成全局变量

我们把a定义为全局变量，那么在哪里都可以访问，

// 定义block
typedef void (^YZBlock)(void);
 int age = 10;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        YZBlock block = ^{
            age = 20;
            NSLog(@"block内部修改之后age = %d", age);
        };
        
        block();
        NSLog(@"block调用完 age = %d", age);
    }
    return 0;
}

这个很简单，输出结果为

block内部修改之后age = 20
block调用完 age = 20

对于输出就结果也没什么问题，因为全局变量，是所有地方都可访问的，在block内部可以直接操作age的内存地址的。调用完block之后，全局变量age指向的地址的值已经被更改为20，所以是上面的打印结果

2.1.2 static修改局部变量

// 定义block
typedef void (^HPBlock)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        static int age = 10;
        HPBlock block = ^{
            age = 20;
            NSLog(@"block内部修改之后age = %d", age);
        }; 
        block();
        NSLog(@"block调用完 age = %d", age);
    }
    return 0;
} 

上面的代码输出结果为

block内部修改之后age = 20
block调用完 age = 20

终端执行这行指令xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m把main.m生成main.cpp 可以 看到如下代码

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

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int *age = __cself->age; // bound by copy
    
    (*age) = 20;
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_x4_920c4yq936b63mvtj4wmb32m0000gn_T_main_5dbaa1_mi_0, (*age));
}

可以看出，当局部变量用static修饰之后，这个block内部会有个成员是int *age，也就是说把age的地址捕获了。这样的话，当然在block内部可以修改局部变量age了。

• 以上两种方法，虽然可以达到在block内部修改局部变量的目的，但是，这样做，会导致内存无法释放。
  • 无论是全局变量，还是用static修饰，都无法及时销毁，会一直存在内存中。
  • 很多时候，我们只是需要临时用一下，当不用的时候，能销毁掉，那么第三种，也就是今天的主角 __block

2.2 __block来修饰

代码如下

// 定义block
typedef void (^HPBlock)(void); 
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block int age = 10;
        HPBlock block = ^{
            age = 20;
            NSLog(@"block内部修改之后age = %d",age);
        };
        
        block();
        NSLog(@"block调用完 age = %d",age);
    }
    return 0;
} 

输出结果和上面两种一样

block内部修改之后age = 20
block调用完 age = 20

2.2.1 __block分析

• 终端执行这行指令xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m把main.m生成main.cpp

首先能发现 多了__Block_byref_age_0结构体

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
    // 这里多了__Block_byref_age_0类型的结构体
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
    // fp是函数地址  desc是描述信息  __Block_byref_age_0 类型的结构体  *_age  flags标记
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_age_0 *_age, int flags=0) : age(_age->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp; //fp是函数地址
    Desc = desc;
  }
};

再仔细看结构体__Block_byref_age_0，可以发现第一个成员变量是isa指针，第二个是指向自身的指针__forwarding

// 结构体 __Block_byref_age_0
struct __Block_byref_age_0 {
    void *__isa; //isa指针
    __Block_byref_age_0 *__forwarding; // 指向自身的指针
    int __flags;
    int __size;
    int age; //使用值
};

查看main函数里面的代码

  // 这是原始的代码 __Block_byref_age_0
 __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_age_0 age = {
 (void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};
        
             
// 这是原始的 block代码
HPBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0(
(void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));

代码太长，简化一下，去掉一些强转的代码，结果如下

// 这是原始的代码 __Block_byref_age_0
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};
        
//这是简化之后的代码 __Block_byref_age_0
__Block_byref_age_0 age = {
     0, //赋值给 __isa
     (__Block_byref_age_0 *)&age,//赋值给 __forwarding,也就是自身的指针
      0, // 赋值给__flags
      sizeof(__Block_byref_age_0),//赋值给 __size
      10 // age 使用值
    };
        
// 这是原始的 block代码
HPBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));
        
// 这是简化之后的 block代码
HPBlock block = (&__main_block_impl_0(
             		__main_block_func_0,
           		&__main_block_desc_0_DATA,
	           	 &age,
            	570425344));
        
 ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
        //简化为
block->FuncPtr(block);

其中__Block_byref_age_0结构体中的第二个(__Block_byref_age_0 *)&age赋值给上面代码结构体__Block_byref_age_0中的第二个__Block_byref_age_0 *__forwarding,所以__forwarding 里面存放的是指向自身的指针

//这是简化之后的代码 __Block_byref_age_0
__Block_byref_age_0 age = {
     0, //赋值给 __isa
     (__Block_byref_age_0 *)&age,//赋值给 __forwarding,也就是自身的指针
      0, // 赋值给__flags
      sizeof(__Block_byref_age_0),//赋值给 __size
      10 // age 使用值
    };

结构体__Block_byref_age_0中代码如下，第二个__forwarding存放指向自身的指针,第五个age里面存放局部变量

// 结构体 __Block_byref_age_0
struct __Block_byref_age_0 {
    void *__isa; //isa指针
    __Block_byref_age_0 *__forwarding; // 指向自身的指针
    int __flags;
    int __size;
    int age; //使用值
};

调用的时候，先通过__forwarding找到指针，然后去取出age值。

(age->__forwarding->age)); 

2.2.2 __block的内存管理

• 当block在栈上时，并不会对__block变量产生强引用
• 当block被copy到堆时
  • 会调用block内部的copy函数
  • copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
  • _Block_object_assign函数会根据所指向对象的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用（注意：这里仅限于ARC时会retain，MRC时不会retain）

• 当block从堆中移除时
  • 会调用block内部的dispose函数
  • dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
  • _Block_object_dispose函数会自动释放引用的__block变量（release）

2.2.3 __block的__forwarding指针

结构体__Block_byref_obj_0

//结构体__Block_byref_obj_0中有__forwarding
 struct __Block_byref_obj_0 {
  		void *__isa;
		__Block_byref_obj_0 *__forwarding;
		 int __flags;
 		int __size;
 		void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 		void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 		NSObject *__strong obj;
};

// 访问的时候
age->__forwarding->age

为啥什么不直接用age,而是age->__forwarding->age呢？

这是因为:

• 如果__block变量在栈上，就可以直接访问
• 但是如果已经拷贝到了堆上，访问的时候，还去访问栈上的，就会出问题，所以，先根据__forwarding找到堆上的地址，然后再取值

2.2.4 小结

• __block可以用于解决block内部无法修改auto变量值的问题
• __block不能修饰全局变量、静态变量（static）
• 编译器会将__block变量包装成一个对象
• 调用的是，从__Block_byref_age_0的指针找到 age所在的内存，然后修改值

七、使用Block时的循环引用问题

继续探索一下block的循环引用问题。

看如下代码，有个Person类，里面两个属性，分别是block和age

#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void (^HPBlock) (void);

@interface HPPerson : NSObject
@property (copy, nonatomic) HPBlock block;
@property (assign, nonatomic) int age;
@end


#import "HPPerson.h"

@implementation HPPerson
- (void)dealloc
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

main.m中如下代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
    
        HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];
        person.age = 10;
        person.block = ^{
             NSLog(@"person.age--- %d",person.age);
        };
        NSLog(@"--------");

    }
    return 0;
}

输出只有

iOS-block[38362:358749] --------

也就是说程序结束，person都没有释放，造成了内存泄漏。

1. 循环引用原因

下面这行代码，是有个person指针，HPPerson

HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];

执行完

 person.block = ^{
             NSLog(@"person.age--- %d",person.age);
 };

之后，block内部有个强指针指向person，下面代码生成cpp文件

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

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

而block是person的属性

@property (copy, nonatomic) HPBlock block;

当程序退出的时候，局部变量person销毁，但是由于HPPerson和block直接，互相强引用，谁都释放不了。

2.__weak解决循环引用

为了解决上面的问题，只需要用__weak来修饰，即可

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];
        person.age = 10;
        
        __weak HPPerson *weakPerson = person;
        
        person.block = ^{
            NSLog(@"person.age--- %d",weakPerson.age);
        };
        NSLog(@"--------");

    }
    return 0;
}

编译完成之后是

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
    // block内部对weakPerson是弱引用
  HPPerson *__weak weakPerson;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, HPPerson *__weak _weakPerson, int flags=0) : weakPerson(_weakPerson) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

当局部变量消失时候，对于HPPerson来说，只有一个弱指针指向它，那它就销毁，然后block也销毁。

3.__unsafe_unretained解决循环引用

除了上面的__weak之后，也可以用__unsafe_unretained来解决循环引用

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];
        person.age = 10;
        
        __unsafe_unretained HPPerson *weakPerson = person;
        
        person.block = ^{
            NSLog(@"person.age--- %d",weakPerson.age);
        };
        NSLog(@"--------");

    }
    return 0;
}

对于的cpp文件为

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

虽然__unsafe_unretained可以解决循环引用，但是最好不要用，因为:

• __weak：不会产生强引用，指向的对象销毁时，会自动让指针置为nil
• __unsafe_unretained：不会产生强引用，不安全，指向的对象销毁时，指针存储的地址值不变

4. __block解决循环引用

e.g:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
       __block HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];
        person.age = 10;
        person.block = ^{
            NSLog(@"person.age--- %d",person.age);
            //这一句不能少
            person = nil;
        };
        // 必须调用一次
        person.block();
        NSLog(@"--------");
    }
    return 0;
}

上面的代码中，也是可以解决循环引用的。但是需要注意的是，person.block();必须调用一次，为了执行person = nil;.

对应的结果如下

• 下面的代码，block会对__block产生强引用

__block HPPerson *person = [[HPPerson alloc] init];
person.block = ^{
        NSLog(@"person.age--- %d",person.age);
        //这一句不能少
        person = nil;
};

• person对象本身就对block是强引用

@property (copy, nonatomic) HPBlock block;

• __block对person产生强引用

struct __Block_byref_person_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_person_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
    //`__block`对person产生强引用
 HPPerson *__strong person;
};

所以他们的引用关系如图

当执行完person = nil时候,__block解除对person的引用,进而，全都解除释放了。 但是必须调用person = nil才可以，否则，不能解除循环引用

5.小结

通过前面的分析，我们知道，ARC下，上面三种方式对比，最好的是__weak

6.MRC下注意点

如果再MRC下，因为不支持弱指针__weak，所以，只能是__unsafe_unretained或者__block来解决循环引用

八、一些相关的面试题

做完前面的探索,我们可以通过一些面试题来检验对知识点的掌握程度

1. block的原理是怎样的？本质是什么？
2. __block的作用是什么？有什么使用注意点？
3. block的属性修饰词为什么是copy？使用block有哪些使用注意？
   • 使用 copy 修饰符是为了确保 Block 属性正确地管理其引用的外部对象
   • 避免了悬垂指针等内存管理问题。
4. block在修改NSMutableArray，需不需要添加__block？
   • 不需要添加__block

专题系列文章

1.前知识

• 01-探究iOS底层原理|综述
• 02-探究iOS底层原理|编译器LLVM项目【Clang、SwiftC、优化器、LLVM】
• 03-探究iOS底层原理|LLDB
• 04-探究iOS底层原理|ARM64汇编

2. 基于OC语言探索iOS底层原理

• 05-探究iOS底层原理|OC的本质
• 06-探究iOS底层原理|OC对象的本质
• 07-探究iOS底层原理|几种OC对象【实例对象、类对象、元类】、对象的isa指针、superclass、对象的方法调用、Class的底层本质
• 08-探究iOS底层原理|Category底层结构、App启动时Class与Category装载过程、load 和 initialize 执行、关联对象
• 09-探究iOS底层原理|KVO
• 10-探究iOS底层原理|KVC
• 11-探究iOS底层原理|探索Block的本质|【Block的数据类型(本质)与内存布局、变量捕获、Block的种类、内存管理、Block的修饰符、循环引用】
• 12-探究iOS底层原理|Runtime1【isa详解、class的结构、方法缓存cache_t】
• 13-探究iOS底层原理|Runtime2【消息处理(发送、转发)&&动态方法解析、super的本质】
• 14-探究iOS底层原理|Runtime3【Runtime的相关应用】
• 15-探究iOS底层原理|RunLoop【两种RunloopMode、RunLoopMode中的Source0、Source1、Timer、Observer】
• 16-探究iOS底层原理|RunLoop的应用
• 17-探究iOS底层原理|多线程技术的底层原理【GCD源码分析1:主队列、串行队列&&并行队列、全局并发队列】
• 18-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析1:dispatch_get_global_queue与dispatch_(a)sync、单例、线程死锁】
• 19-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析2:栅栏函数dispatch_barrier_(a)sync、信号量dispatch_semaphore】
• 20-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析3:线程调度组dispatch_group、事件源dispatch Source】
• 21-探究iOS底层原理|多线程技术【线程锁：自旋锁、互斥锁、递归锁】
• 22-探究iOS底层原理|多线程技术【原子锁atomic、gcd Timer、NSTimer、CADisplayLink】
• 23-探究iOS底层原理|内存管理【Mach-O文件、Tagged Pointer、对象的内存管理、copy、引用计数、weak指针、autorelease

3. 基于Swift语言探索iOS底层原理

关于函数、枚举、可选项、结构体、类、闭包、属性、方法、swift多态原理、String、Array、Dictionary、引用计数、MetaData等Swift基本语法和相关的底层原理文章有如下几篇:

• Swift5核心语法1-基础语法
• Swift5核心语法2-面向对象语法1
• Swift5核心语法2-面向对象语法2
• Swift5常用核心语法3-其它常用语法
• Swift5应用实践常用技术点

其它底层原理专题

1.底层原理相关专题

• 01-计算机原理|计算机图形渲染原理这篇文章
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