理清 Block 底層結構及其捕獲行爲

時間  2019-11-16
標籤 理清 block 底層 結構 及其 捕獲 行爲 简体版
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Block 的本質

本質

  1. Block 的本質是一個 Objective-C 對象，它內部也擁有一個 isa 指針。
  2. Block 是封裝了函數及其調用環境的 Objective-C 對象

底層數據結構

一個簡單示例：ios

int main(int argc, const char * argv[]) {

    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"hey");
    };
    block();
    return 0;
}

複製代碼

將以上 Objective-C 源碼轉換成 c++ 相關源碼，使用命令行 ： xcrun -sdk iphoneos xclang -arch arm64 -rewrite-objc 文件名c++

c++ 的結構體與通常的類類似。api

int main(int argc, const char * argv[]) {

    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;
}
複製代碼

其中 Block 的數據結構爲：bash

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
};
複製代碼

impl 變量數據結構：數據結構

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

FuncPtr：函數實際調用的地址，由於 Block 可看做是捕獲自動變量的匿名函數。iphone

Desc 變量數據結構：函數

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
}
複製代碼

Block 的類型

Objective-C 中 Block 有三種類型，其最終類型都是 NSBlock 。ui

  • NSGlobalBlock (_NSConcreteGlobalBlock)
  • NSStackBlock (_NSConcreteStackBlock)
  • NSMallocBlock (_NSConcreteMallocBlock)

Block 類型的不一樣，主要根據捕獲變量的不一樣行爲產生：this

Block 類型 行爲
NSGlobalBlock 沒有訪問 auto 變量
NSStackBlock 訪問 auto 變量
NSMallocBlock NSStackBlock 調用 copy

在內存中的存儲位置

內存五大區：棧、堆、靜態區（BSS 段）、常量區（數據段）、代碼段spa

copy 行爲

不一樣類型的 Block 調用 copy 操做，也會產生不一樣的複製效果：

Block 類型 副本源的配置存儲域 複製效果
__NSConcreteStackBlock 棧 從棧複製到堆
__NSConcreteGlobalBlock 數據段（常量區） 什麼也不作
__NSConcreteMallocBlock 堆 引用計數增長
  • 在 ARC 環境下，編譯器會在如下狀況自動將棧上的 Block 複製到堆上：
  1. Block 做爲函數返回值
  2. 將 Block 賦值給 __strong 指針
  3. 蘋果 Cocoa、GCD 等 api 中方法參數是 block 類型

在 ARC 環境下，聲明的 block 屬性用 copy 或 strong 修飾的效果是同樣的，但在 MRC 環境下，則用 copy 修飾。

捕獲變量

爲了保證在 Block 內部可以正常訪問外部變量，Block 有一套變量捕獲機制：

變量類型 是否捕獲到 Block 內部 訪問方式
局部 auto 變量 是 值傳遞
局部 static 變量 是 指針傳遞
全局變量 否 直接訪問

若局部 static 變量是基礎類型 int val ，則訪問方式爲 int *val 若局部 static 變量是對象類型 JAObject *obj ，則訪問方式爲 JAObject **obj

基礎類型變量

一個簡單示例：

int age = 10;
// static int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複製代碼
  • 捕獲局部 auto 基礎類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變爲:
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int age; // 傳遞值
}
複製代碼
  • 捕獲局部 static 基礎類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變爲：
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int *age; // 傳遞指針
}
複製代碼
  • 捕獲全局基礎類型變量生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 age ，由於做用域爲全局，可直接訪問。

對象類型變量

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複製代碼
  • 捕獲局部 auto 對象類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變爲:
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複製代碼
  • 捕獲局部 static 對象類型變量生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變爲：
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson **person;
}
複製代碼
  • 捕獲全局對象類型變量生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 person ，由於做用域爲全局，可直接訪問。

copy 和 dispose 函數

當捕獲的變量是對象類型或者使用 __Block 將變量包裝成一個 __Block_byref_變量名_0 類型的 Objective-C 對象時，會產生 copy 和 dispose 函數。

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複製代碼

其中生成的 Block 的數據結構中多了 JAPerson 類型指針變量 person ：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複製代碼

Desc 變量數據結構多了內存管理相關的函數：

static struct __main_block_desc_0 {
  ···
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
}
複製代碼

這兩個函數的調用時機：

函數 調用時機
copy 棧上的 Block 複製到堆時
dispose 堆上的 Block 被廢棄時

copy 和 dispose 底層相關源碼

// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Lose the reference, and if heap based and last reference, recover the memory
BLOCK_EXPORT void _Block_release(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);


// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);
複製代碼

當 Block 內部訪問了對象類型的 auto 變量時：

  • 若是 Block 是在棧上，將不會對 auto 變量產生強引用。
  • 若是 Block 被拷貝到堆上，會調用 Block 內部的 copy 函數，copy 函數內部會調用 _Block_object_assign 函數，_Block_object_assign 函數會根據 auto 變量的修飾符（__strong、__weak、__unsafe_unretain）做出相應的內存管理操做。

注意：若此時變量類型爲對象類型，這裏僅限於 ARC 時會 retain ，MRC 時不會 retain 。

  • 若是 Block 從堆上移除，會調用 Block 內部的 dispose 函數，dispose 函數內部會調用 _Block_object_dispose 函數，_Block_object_dispose 函數會自動 release 引用的 auto 變量。

使用 __weak 修飾的 OC 代碼轉換對應的 c++ 代碼會報錯： error: cannot create __weak reference because the current deployment target does not support weak references 此時終端命令需支持 ARC 並指定 Runtime 版本： xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

內存管理

修改局部 auto 變量

局部 static 變量（指針訪問）、全局變量（直接訪問）均可以在 Block 內部直接修改捕獲的變量，而局部 auto 變量則主要經過使用 __block 存儲域修飾符來修改捕獲的變量。

  • __block 修飾符能夠用於解決 Block 內部沒法修改局部 auto 變量值的問題
  • __block 修飾符不能用於修飾全局變量、靜態變量（static）

編譯器會將 __block 修飾的變量包裝成一個 Objective-C 對象。

一個簡單示例：

__block int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
   NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複製代碼

其中 Block 的數據結構多了一個 __Block_byref_age_0 類型的指針：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
}
複製代碼

__Block_byref_age_0 結構體：

struct __Block_byref_age_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_age_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int age; // age 真正存儲的地方
};
複製代碼

兩個注意點：

    1. 此處指針 val 是指向 age 的指針，而第二個 val 指的是 age 的值。

    1. 源碼裏面經過 age->__forwarding->age 的方式去取值，是由於這兩個 age 均可能仍在棧上，此時直接 age->age 訪問會有問題，而 copy 操做時 __forwarding 會指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時就算第一個 age 仍在棧上，經過 age->__forwarding 會從新指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時再訪問 age 便不會有問題 age->__forwarding->age 。

__block 的內存管理

使用 __block 修飾符時的內存管理狀況：

  • 當 Block 存儲在棧上時，並不會對 __block 變量強引用。
  • 當 Block 被 copy 到堆上時，會調用 Block 內部的 copy 函數，copy 函數會調用 __main_block_copy_0 函數對 __block 變量產生一個強引用。以下圖

  • 當 Block 從堆上被移除時，會調用 Block 內部的 dispose 函數，dispose 函數會調用 _Block_object_dispose 函數自動 release __block 變量。以下圖

__weak 和 __block 修飾時的引用狀況

    1. 僅用 __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
    NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
複製代碼

    1. 使用 __block __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__block __weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
block();
return 0;
複製代碼

循環引用

常見的循環引用問題：

ARC 環境下解決循環引用

    1. 弱引用持有：使用 __weak 或 __unsafe__unretain 解決

    1. 手動將一方置爲 nil ：使用 __block 解決，在 block 內部將一方置爲 nil ，所以必須執行該 block

MRC 環境下解決循環引用

    1. 弱引用持有：使用 __unsafe__unretain 解決
    1. 直接使用 __block 解決，無需手動將一方置爲 nil ，由於底層 _Block_object_assign 函數在 MRC 環境下對 block 內部的對象不會進行 retain 操做。
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