一道Block面試題的深刻挖掘
0. 序言
最近看到了一道Block的面試題，還蠻有意思的，來給你們分享一下。ios
本文從一道Block面試題出發，層層深刻到達Block原理的講解，把面試題吃得透透的。面試
題外話：objective-c
不少人以爲Block的定義很怪異，很難記住。但其實和C語言的函數指針的定義對比一下，你很容易就能夠記住。架構
// Block
returnType (^blockName)(parameterTypes)
// 函數指針
returnType (*c_func)(parameterTypes)
複製代碼
例如輸入和返回參數都是字符串：框架
(char *) (*c_func)(const char *);
(NSString *) (^block)(NSString *);
複製代碼
好了，下面正式開始~iphone
1. 面試題
1.1 問題1
如下代碼存在內存泄露麼？函數
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
}];
}
- (void)doSomething {
}
複製代碼
答案是存在！flex
1.1.1 分析
-
block中，咱們使用到的外部變量有self和center，center使用了__weak說明符確定沒問題。ui -
center持有token，token持有block，block持有self，也就是說token不釋放，self確定無法釋放。spa -
咱們注意到
[center removeObserver:token];這步會把token從center中移除掉。按理說，center和self是否是就能夠被釋放了呢？
咱們來看看編譯器怎麼說：
編譯器告訴咱們，token在被block捕獲以前沒有初始化！[center removeObserver:token];是無法正確移除token的，因此self也無法被釋放！
爲何沒有被初始化？
由於token在後面的方法執行完纔會被返回。方法執行的時候token尚未被返回，因此捕獲到的是一個未初始化的值！
1.2 問題2
如下代碼存在內存泄露麼？
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
}];
}
- (void)doSomething {
}
複製代碼
此次代碼在token以前加入了__block說明符。
提示：此次編譯器沒有警告說token沒有被初始化了。
答案是仍是存在！
1.2.1 分析
首先，證實token的值是正確的，同時你們也能夠看到token確實是持有block的。
那麼，爲何還會泄露呢？
由於，雖然center對token的持有已經沒有了，token如今還被block持有。
可能還有同窗會問：
加入了__block說明符，token對象不是仍是center返回以後才能拿到麼，爲何加了以後就沒問題了呢？
緣由會在Block原理部分詳細說明。
1.3 問題3
如下代碼存在內存泄露麼？
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
token = nil;
}];
}
- (void)doSomething {
}
- (void)dealloc {
NSLog(@"%s", __FUNCTION__);
}
複製代碼
答案是不存在！
1.3.1 分析
咱們能夠驗證一下：
能夠看到，咱們添加token = nil;以後，ViewController被正確釋放了。這一步，解除了token與block之間的循環引用，因此正確釋放了。
有人可能會說：
使用__weak typeof(self) wkSelf = self;就能夠解決self不釋放的問題。
確實這能夠解決self不釋放的問題，可是這裏仍然存在內存泄露！
2. Block的原理
雖然面試題解決了，可是還有幾個問題沒有弄清楚：
- 爲何沒有
__block說明符token未被初始化，而有這個說明符以後就沒問題了呢？ token和block爲何會造成循環引用呢？
2.1 Block捕獲自動變量
剛剛的面試題比較複雜，咱們先來看一個簡單的：
Block轉換爲C函數以後，Block中使用的自動變量會被做爲成員變量追加到 __X_block_impl_Y結構體中，其中 X通常是函數名， Y是第幾個Block，好比main函數中的第0個結構體： __main_block_impl_0。
typedef void (^MyBlock)(void);
int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool
{
int age = 10;
MyBlock block = ^{
NSLog(@"age = %d", age);
};
age = 18;
block();
}
return 0;
}
複製代碼
順便說一下，這個輸出：age = 10
在命令行中對這個文件進行一下處理：
clang -w -rewrite-objc main.m
複製代碼
或者
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc main.m
複製代碼
區別是下面指定了SDK和架構代碼會少一點。
處理完以後會生成一個main.cpp的文件，打開後會發現代碼不少，不要怕。搜索int main就能看到熟悉的代碼了。
int main(int argc, const char * argv[])
{
/* @autoreleasepool */
{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
int age = 10;
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, age));
age = 18;
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;
}
複製代碼
下面是main函數中涉及到的一些結構體：
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl; //block的函數的imp結構體
struct __main_block_desc_0* Desc; // block的信息
int age; // 值引用的age值
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _age, int flags=0) : age(_age) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; // 棧類型的block
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp; // 傳入了函數具體的imp指針
Desc = desc;
}
};
struct __block_impl {
void *isa; // block的類型：全局、棧、堆
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr; // 函數的指針！就是經過它調用block的！
};
static struct __main_block_desc_0 { // block的信息
size_t reserved;
size_t Block_size; // block的大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
複製代碼
有了這些信息，咱們再看看
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, age));
複製代碼
能夠看到，block初始化的時候age是值傳遞，因此block結構體中age=10，因此打印的是age = 10。
2.2 __block說明符
Block中修改捕獲的自動變量有兩種方法：
-
使用靜態變量、靜態全局變量、全局變量
從Block語法轉化爲C語言函數中訪問靜態全局變量、全局變量，沒有任何不一樣，能夠直接訪問。而靜態變量使用的是靜態變量的指針來進行訪問。
自動變量不能採用靜態變量的作法進行訪問。緣由是，自動變量是在存儲在棧上的，當超出其做用域時，會被棧釋放。而靜態變量是存儲在堆上的，超出做用域時，靜態變量沒有被釋放，因此還能夠訪問。
-
添加 __block修飾符
__block存儲域類說明符。存儲域說明符會指定變量存儲的域，如棧auto、堆static、全局extern，寄存器register。
好比剛剛的代碼加上 __block說明符：
typedef void (^MyBlock)(void);
int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool
{
int __block age = 10;
MyBlock block = ^{
age = 18;
};
block();
}
return 0;
}
複製代碼
在命令行中對這個文件進行一下處理：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc main.m
複製代碼
咱們看到main函數發生了變化：
-
原來的
age變量：int age = 10; -
如今的
age變量：__Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};。
int main(int argc, const char * argv[])
{
/* @autoreleasepool */
{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
__Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;
}
複製代碼
原來咱們知道添加 __block說明符，咱們就能夠在block裏面修改自動變量了。
恭喜你，如今你達到了第二層！__block說明符，其實會把自動變量包含到一個結構體中。
這也就解釋了問題1爲何加入__block說明符，token能夠正確拿到值。
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));
複製代碼
此次block初始化的過程當中，把age這個結構體傳入到了block結構體中，如今就變成了指針引用。
struct __Block_byref_age_0 {
void *__isa; //isa指針
__Block_byref_age_0 *__forwarding; // 指向本身的指針
int __flags; // 標記
int __size; // 結構體大小
int age; // 成員變量，存儲age值
};
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
__Block_byref_age_0 *age; // 結構體指針引用
__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;
Desc = desc;
}
};
複製代碼
咱們再來看看block中是如何修改age對應的值：
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
__Block_byref_age_0 *age = __cself->age; // 經過結構體的self指針拿到age結構體的指針
(age->__forwarding->age) = 18; // 經過age結構體指針修改age值
}
複製代碼
看到這裏可能不明白__forwarding的做用，咱們以後再講。如今知道是age是指針引用修改爲功的就能夠了。
2.3 Block存儲域
從C代碼中咱們能夠看到Block的是指是Block結構體實例，__block變量實質是棧上__block變量結構體實例。從初始化函數中咱們能夠看到，impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;，即以前咱們使用的是棧Block。
其實，Block有3中類型：
- _NSConcreteGlobalBlock類對象存儲在程序的數據區(.data區)。
- _NSConcreteStackBlock類對象存儲在棧上。
- _NSConcreteMallocBlock類對象存儲在堆上。
void (^blk)(void) = ^{
NSLog(@"Global Block");
};
int main() {
blk();
NSLog(@"%@",[blk class]);//打印：__NSGlobalBlock__
}
複製代碼
全局Block確定是存儲在全局數據區的，可是在函數棧上建立的Block，若是沒有捕獲自動變量，Block的結構實例仍是 _NSConcreteGlobalBlock，而不是 _NSConcreteStackBlock：
void (^blk0)(void) = ^{ // 沒有截獲自動變量的Block
NSLog(@"Stack Block");
};
blk0();
NSLog(@"%@",[blk0 class]); // 打印:__NSGlobalBlock__
int i = 1;
void (^blk1)(void) = ^{ // 截獲自動變量i的Block
NSLog(@"Capture:%d", i);
};
blk1();
NSLog(@"%@",[blk1 class]); // 打印：__NSMallocBlock__
複製代碼
能夠看到沒有捕獲自動變量的Block打印的類是NSGlobalBlock，表示存儲在全局數據區。 但爲何捕獲自動變量的Block打印的類倒是設置在堆上的NSMallocBlock，而非棧上的NSStackBlock？這個問題稍後解釋。
設置在棧上的Block，若是超出做用域，Block就會被釋放。若 __block變量也配置在棧上，也會有被釋放的問題。因此， copy方法調用時，__block變量也被複制到堆上，同時impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;。複製以後，棧上 __block變量的__forwarding指針會指向堆上的對象。因 此 __block變量不管被分配在棧上仍是堆上都可以正確訪問。
編譯器如何判斷什麼時候須要進行copy操做呢？
在ARC開啓時，自動判斷進行 copy：
- 手動調用copy。
- 將Block做爲函數參數返回值返回時，編譯器會自動進行 copy。
- 將Block賦值給 copy修飾的id類或者Block類型成員變量，或者
__strong修飾的自動變量。 - 方法名含有
usingBlock的Cocoa框架方法或GCD相關API傳遞Block。
若是不能自動 copy，則須要咱們手動調用 copy方法將其複製到堆上。好比向不包括上面提到的方法或函數的參數中傳遞Block時。
ARC環境下，返回一個對象時會先將該對象複製給一個臨時實例指針，而後進行retain操做，再返回對象指針。runtime/objc-arr.mm提到，Block的retain操做objc_retainBlock函數其實是Block_copy函數。在實行retain操做objc_retainBlock後，棧上的Block會被複制到堆上，同時返回堆上的地址做爲指針賦值給臨時變量。
2.4 __block變量存儲域
當Block從棧複製到堆上時候，__block變量也被複制到堆上並被Block持有。
- 若此時 __block變量已經在堆上，則被該Block持有。
- 若配置在堆上的Block被釋放，則它所持有的 __block變量也會被釋放。
__block int val = 0;
void (^block)(void) = [^{ ++val; } copy];
++val;
block();
複製代碼
利用 copy操做，Block和 __block變量都從棧上被複制到了堆上。不管是{ ++val; }仍是++val;都轉換成了++(val->__forwarding->val);。
Block中的變量val爲複製到堆上的 __block變量結構體實例，而Block外的變量val則爲複製前棧上的 __block變量結構體實例，但這個結構體的__forwarding成員變量指向堆上的 __block變量結構體實例。因此，不管是是在Block內部仍是外部使用 __block變量，均可以順利訪問同一個 __block變量。
3. 面試題C代碼
下面咱們看看面試題的C代碼。
@interface Test : NSObject
@end
@implementation Test
- (void)test_notification {
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:@"com.demo.perform.once"
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
token = nil;
}];
}
- (void)doSomething {
}
@end
複製代碼
3.1 重寫
在命令行中對這個文件進行一下處理，由於用到了 __weak說明符，須要額外指定一些參數：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc -fobjc-arc -mios-version-min=8.0.0 -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m
複製代碼
這個會更復雜一些，但咱們只看重要的部分：
struct __Block_byref_token_0 {
void *__isa;
__Block_byref_token_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
__strong id token; // id類型的token變量 (strong)
};
struct __Test__test_notification_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __Test__test_notification_block_desc_0* Desc;
Test *const __strong self; // 被捕獲的self (strong)
NSNotificationCenter *__weak center; // center對象 (weak)
__Block_byref_token_0 *token; // token結構體的指針
__Test__test_notification_block_impl_0(void *fp, struct __Test__test_notification_block_desc_0 *desc, Test *const __strong _self, NSNotificationCenter *__weak _center, __Block_byref_token_0 *_token, int flags=0) : self(_self), center(_center), token(_token->__forwarding) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
複製代碼
如今咱們看到block結構體 __Test__test_notification_block_impl_0中持有token，同時以前咱們看到token也是持有block的，因此形成了循環引用。
這也就回答了問題2。
下面咱們看看block的IMP函數是如何解決循環引用問題的：
static void __Test__test_notification_block_func_0(struct __Test__test_notification_block_impl_0 *__cself, NSNotification * _Nonnull __strong note) {
__Block_byref_token_0 *token = __cself->token; // bound by ref
Test *const __strong self = __cself->self; // bound by copy
NSNotificationCenter *__weak center = __cself->center; // bound by copy
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("doSomething"));
((void (*)(id, SEL, id _Nonnull __strong))(void *)objc_msgSend)((id)center, sel_registerName("removeObserver:"), (id)(token->__forwarding->token));
(token->__forwarding->token) = __null;
}
複製代碼
能夠看到，token = nil;被轉換爲了(token->__forwarding->token) = __null;，至關於block對象對token的持有解除了！若是你以爲看不太明白，我再轉換一下：
(__cself->token->__forwarding->token) = __null; // __cself爲block結構體指針
複製代碼
3.2 Block的類型
細心的同窗可能發現：
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
複製代碼
這是一個棧類型的block呀，聲明週期結束不是就該被系統回收釋放了麼。咱們使用了ARC同時咱們調用是方法名中含有usingBlock，會主動觸發 copy操做，將其複製到堆上。
4. 總結
Block最常問的就是循環引用、內存泄露問題。
注意要點：
- __weak說明符的使用
- __block說明符的使用
- 誰持有誰
- 如何解除循環引用
另外，須要再強調一下的是：
-
面試題中的block代碼若是一次都沒有執行也是會內存泄露的！
-
可能有人會說使用
__weak typeof(self) wkSelf = self;就能夠解決self不釋放的問題。確實這能夠解決
self不釋放的問題，可是這裏 仍然存在內存泄露！ 咱們仍是須要從根上解決這個問題。
補充：
上面講的時候集中在說token和block的循環引用，ViewController的問題我簡單帶過了，可能同窗們看的時候沒有注意到。
我在這裏專門拎出來講一下：
token和block循環引用，同時block持有self(ViewController)，致使ViewController也無法釋放。
若是但願優先釋放ViewController(無論block是否執行)，最好給ViewController加上__weak說明符。
此外，破除token和block的循環引用，實際有兩種方法：
- 手動設置
token = nil;。 token也使用__weak說明符id __block __weak token。
注意：
如下說法不夠嚴謹，也可能存在問題：
最簡單粗暴的解決辦法：你們都
__weak。NSNotificationCenter *__weak wkCenter = [NSNotificationCenter >defaultCenter]; __weak typeof(self) wkSelf = self; id __block __weak wkToken = [wkCenter addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification object:nil queue:[NSOperationQueue mainQueue] usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) { [wkSelf doSomething]; [wkCenter removeObserver:wkToken]; }]; 複製代碼這個問題具體要看
NSNotificationCenter具體是怎麼實現的。token使用__weak說明符，可是若是NSNotificationCenter沒有持有token，在函數做用域結束時，token會被銷燬。雖然不會有循環引用問題，可是可能致使沒法移除這個觀察者的問題。
若是以爲本文對你有所幫助，給我點個贊吧~
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