OC中block的底层原理

06-block的本质

在讲解block的底层原理前，我们先抛出如下block相关的问题：

  • block的本质，底层数据结构？
  • block的底层原理？
  • block的类型？
  • block的变量捕获？
  • block属性修饰词copy?
  • __block的底层原理?
  • __weak的底层原理？

我们先来回顾下block的基本使用语法：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        ^{
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
        };
    }
    return 0;
}

我们在main函数中写了一个block代码块，并在block的内部执行了三句打印，当我们运行程序后，发现并没有任何打印，这是因为现在只是声明了一个block，并没有调用这个block，就和函数一样，只是声明了一个函数而不调用函数，函数是不会执行的

下面我们修改main函数内部的代码如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        ^{
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
        }();
    }
    return 0;
}

我们在block的结束符}括号后面添加()，就能够执行到block内部的代码，就想调用函数一样func()

我们这样写虽然能执行block内部的代码，但是一运行就直接执行了block，这样不便于我们来控制这个block的调用时机，我们可以创建一个变量来将这个block保存起来，修改代码如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        // 创建一个myBlock变量来临时保存这个block
        void (^myBlock)(void) = ^{
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"111");
        };
        
        // 通过变量来执行block
        myBlock();
    }
    return 0;
}

通过上面的代码，我们就可以通过myBlock这个变量来控制block的执行时机了

我们在来看下带有参数的block的基本用法：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        // 创建一个myBlock变量来临时保存这个block
        void (^myBlock)(int, int) = ^(int a, int b){
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"%d", a);
            NSLog(@"%d", b);
        };
        
        // 通过变量来执行block
        myBlock(10, 20);
    }
    return 0;
}

接下来我们看看block代码块内部访问外部变量的情况

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        int age = 100;
        
        // 创建一个变量来临时保存这个block
        void (^myBlock)(int, int) = ^(int a, int b){
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"外部的变量=%d", age); // 100
            NSLog(@"%d", a); // 10
            NSLog(@"%d", b); // 20
        };
        
        // 通过变量来执行block
        myBlock(10, 20);
    }
    return 0;
}

我们执行xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m命令，将main.m文件转换为底层c++代码，来查看转换后block的底层数据结构

通过查看main.cpp文件，我们可以看到block底层数据结构如下：

__main_block_impl_0就是上面main函数中定义的block

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  
  // 这个age就是从block外部捕获的变量保存在block结构体中
  int age;
  
  /**
    这个__main_block_impl_0()是c++的构造函数语法，相当于OC中的init初始化函数，这个函数返回结构体对象`__main_block_impl_0`
    
    void *fp:这个指针就是__main_block_impl_0函数内存地址
    desc:&__main_block_desc_0_DATA
    _age:捕获的age变量的值
  */
  __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; // fp指向的就是block代码块函数的内存地址
    Desc = desc;
  }
};

__block_impl结构体如下：

struct __block_impl {
  void *isa; // isa指针
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr; // block代码块的内存地址
};

__main_block_func_0函数，这个函数也就是block的代码块函数，所有block中需要执行的代码都包含在这个函数内：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself, int a, int b) {
  int num = __cself->num; // bound by copy

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_lr_81gwkh751xzddx_ffhhb5_0m0000gn_T_main_5deef5_mi_0);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_lr_81gwkh751xzddx_ffhhb5_0m0000gn_T_main_5deef5_mi_1, num);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_lr_81gwkh751xzddx_ffhhb5_0m0000gn_T_main_5deef5_mi_2, a);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_lr_81gwkh751xzddx_ffhhb5_0m0000gn_T_main_5deef5_mi_3, b);
        }

__main_block_desc_0:结构体

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  
  // __main_block_desc_0_DATA = {}:这个是c++的结构体语法，定义一个__main_block_desc_0_DATA结构体变量，并且给变量初始化赋值
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

block底层结构示意图如下：

image

main函数内代码转换如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        int age = 100;

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

        ((void (*)(__block_impl *, int, int))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block, 10, 20);
    }
    return 0;
}

我们将main函数内的c++代码的一些类型转换代码去掉，剩余代码如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        int age = 100;
        
        // `(*block)`:就是block的内存地址
        // `&__main_block_impl_0()`:函数返回的正好也是一个地址，也就是block的内存地址
        void (*block)(int, int) = &__main_block_impl_0(
                                                        __main_block_func_0,
                                                        &__main_block_desc_0_DATA,
                                                        age);
        // `block->FuncPtr()`:执行block，是通过block先找到FuncPtr，然后通过FuncPtr来调用block并传递参数
        block->FuncPtr(block, 10, 20);
    }
    return 0;
}

我们上面说__main_block_impl_0这个结构体就是block的底层数据结构，接下来我们将转换后c++代码中关键的几个结构体对象整合到main.m文件来证实，main.m代码如下：

#import <Foundation/Foundation.h>

struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
};

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

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 {
        // insert code here...
        
        int age = 100;
        
        // 创建一个变量来临时保存这个block
        void (^myBlock)(int, int) = ^(int a, int b){
            NSLog(@"111");
            NSLog(@"外部的变量=%d", age);
            NSLog(@"%d", a);
            NSLog(@"%d", b);
        };
        
        
        // 这里我们将`myBlock`类型转换为`struct __main_block_impl_0`指针类型
        struct __main_block_impl_0 *blockStruct = (__bridge struct __main_block_impl_0 *)myBlock;
        
        // 通过变量来执行block
        myBlock(10, 20);
    }
    return 0;
}

通过上面的代码struct __main_block_impl_0 *blockStruct = (__bridge struct __main_block_impl_0 *)myBlock; 将myBlock转换为struct __main_block_impl_0 *类型，我们打印下blockStruct变量和myBlock进行对比，如下图所示：

image

我们发现myBlock对应的函数地址和blockStruct结构体对象中的FuncPtr是一致的，block的外部变量age也存放在blockStruct结构体内，从这也能说明block的底层数据结构就是__main_block_impl_0结构体对象

从上面的打印可以看到blockStruct对象中还包含了isa指针，这也说明block是一个NSObject对象

讲解示例代码Demo地址：https://github.com/guangqiang-liu/06-BlockDemo

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