在 《iOS面试题集锦（附答案）》 中有这样一道题目：
在block内如何修改block外部变量？（38题）答案如下：
38. 在block内如何修改block外部变量？
注：本题代码请在仓库中查看以 Demo38 开头的工程（公众号请点击原文查看 GitHub 仓库）
先描述下问题：
默认情况下，在block中访问的外部变量是复制过去的，即：写操作不对原变量生效。但是你可以加上 __block 来让其写操作生效，示例代码如下:
__block int a = 0;
void (^foo)(void) = ^{
a = 1;
};
foo();
//这里，a的值被修改为1
这是网上常见的描述。你同样可以在面试中这样回答，但你并没有答到“点子上”。真正的原因，并没有这么“神奇”，而且这种说法也有点牵强。面试官肯定会追问“为什么写操作就生效了？” 实际上需要有几个必要条件：
- "将 auto 从栈 copy 到堆"
- “将 auto 变量封装为结构体(对象)”
我会将本问题分下面几个部分，分别作答：
- 该问题研究的是哪种
block类型? - 在
block内为什么不能修改block外部变量 - 最优解及原理解析
- 其他几种解法
- 改外部变量必要条件之"将 auto 从栈 copy 到堆"
- 改外部变量必要条件之“将 auto 变量封装为结构体(对象)”
该问题研究的是哪种 block 类型?
今天我们讨论是 __NSMallocBlock__ (或者叫 _NSConcreteMallocBlock，两者是叫法不同，指的是同一个东西)。
| Block 类型 | 环境 |
|---|---|
__NSGlobalBlock__ |
没有访问 auto 变量 |
__NSStackBlock__ |
访问了 auto 变量 |
__NSMallocBlock__ |
__NSStackBlock__ 调用了 copy |
每一种类型的 block 调用 copy 后的结果如下所示
| Block 的类 | 副本源的配置存储域 | 复制效果 |
|---|---|---|
_NSConcreteGlobalBlock |
程序的数据区域 | 什么也不做 |
_NSConcreteStackBlock |
栈 | 从栈复制到堆 |
_NSConcreteMallocBlock |
堆 | 引用计数增加 |
在 ARC 环境下，编译器会根据情况自动将栈上的 block 复制到堆上，比如以下情况：
- block 作为函数返回值时
- 将 block 赋值给 __strong 指针时
- block 作为 Cocoa API 中方法名含有 using Block 的方法参数时
- Block 作为 GCD APIE 的方法参数时
更多细节可以查看：
在 block 内为什么不能修改 block 外部变量
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。
首先分析一下为什么不能修改：
Block不允许修改外部变量的值。Apple这样设计，应该是考虑到了block的特殊性，block 本质上是一个对象，block 的花括号区域是对象内部的一个函数，变量进入 花括号，实际就是已经进入了另一个函数区域---改变了作用域。在几个作用域之间进行切换时，如果不加上这样的限制，变量的可维护性将大大降低。又比如我想在block内声明了一个与外部同名的变量，此时是允许呢还是不允许呢？只有加上了这样的限制，这样的情景才能实现。
所以 Apple 在编译器层面做了限制，如果在 block 内部试图修改 auto 变量（无修饰符），那么直接编译报错。
你可以把编译器的这种行为理解为：对 block 内部捕获到的 auto 变量设置为只读属性---不允许直接修改。
从代码层面进行证明：
写一段 block 代码：
//
// main.m
// Demo_38_block_edit_var
//
// Created by chenyilong on 2020/6/3.
// Copyright © 2020 ChenYilong. All rights reserved.
//
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"
typedef void (^CYLBlock)(void);
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
int age = 10;
CYLBlock block = ^{
NSLog(@"age is %@", @(age));
};
block();
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
使用如下命令来查看对应的 C++ 代码：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m
代码如下所示：
typedef void (*CYLBlock)(void);
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
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_2w_wgnctp1932z76770l8lrrrbm0000gn_T_main_0d7ffa_mi_0, ((NSNumber *(*)(Class, SEL, int))(void *)objc_msgSend)(objc_getClass("NSNumber"), sel_registerName("numberWithInt:"), (int)(age)));
}
static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
appDelegateClassName = NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class")));
int age = 10;
CYLBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, age));
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return UIApplicationMain(argc, argv, __null, appDelegateClassName);
}
static struct IMAGE_INFO { unsigned version; unsigned flag; } _OBJC_IMAGE_INFO = { 0, 2 };
最优解及原理解析
说最优解前，先来说一下
其他几种解法
- 加 static (放在静态存储区/全局初始化区 ) 缺点是会永久存储，内存开销大。
- 将变量设置为全局变量，缺点也是内存开销大。
将变量设置为全局变量
原理是 block 内外可直接访问全局变量
加 static (放在静态存储区/全局初始化区)
原理是 block 内部对外部auto变量进行指针捕获
下面介绍下最优解
- 使用
__block关键字
改外部变量必要条件之"将 auto 从栈 copy 到堆"
之所以要放堆里，原因是栈中内存管理是由系统管理，出了作用域就会被回收， 堆中才是可以由我们程序员管理。
这里先说结论：
在 ARC 中无论是否添加
__block，block 中的 auto 变量都会被从栈上 copy 到堆上。
下面证明下该结论：
先认识一下 __block 修饰符：
-
__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
//
// main.m
// Demo_38_block_edit_var
//
// Created by chenyilong on 2020/6/3.
// Copyright © 2020 ChenYilong. All rights reserved.
//
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"
typedef void (^CYLBlock)(void);
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
__block int age = 10;//__block 可替换为 __block auto (auto 可省略)
CYLBlock block = ^{
age = 20;
NSLog(@"age is %@", @(age));
};
block();
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
下面用代码证明下外部变量被 copy 到堆上：
我们可以打印下内存地址来进行验证：
__block int a = 0;
NSLog(@"定义前：%p", &a); //栈区
void (^foo)(void) = ^{
a = 1;
NSLog(@"block内部：%p", &a); //堆区
};
NSLog(@"定义后：%p", &a); //堆区
foo();
2016-05-17 02:03:33.559 LeanCloudChatKit-iOS[1505:713679] 定义前：0x16fda86f8
2016-05-17 02:03:33.559 LeanCloudChatKit-iOS[1505:713679] 定义后：0x155b22fc8
2016-05-17 02:03:33.559 LeanCloudChatKit-iOS[1505:713679] block内部： 0x155b22fc8
“定义后”和“block内部”两者的内存地址是一样的，我们都知道 block 内部的变量会被 copy 到堆区，“block内部”打印的是堆地址，因而也就可以知道，“定义后”打印的也是堆的地址。
那么如何证明“block内部”打印的是堆地址？
把三个16进制的内存地址转成10进制就是：
- 定义后前：6171559672
- block内部：5732708296
- 定义后：5732708296
中间相差438851376个字节，也就是 418.5M 的空间，因为堆地址要小于栈地址，又因为 iOS 中主线程的栈区内存只有1M，Mac也只有8M，既然 iOS 中一条线程最大的栈空间是1M，显然a已经是在堆区了。
这也证实了：a 在定义前是栈区，但只要进入了 block 区域，就变成了堆区。
从代码角度讲：
__block int a = 0; // 【a 会被编译成一个结构体，a struct 里会有一个 a 存储 0】
NSLog(@"定义前：%p", &a); //栈区
void (^foo)(void) = ^{
a = 1;
NSLog(@"block内部：%p", &a); //堆区
};
这里会执行 copy 操作，下面是编译后的 copy 方法，a struct 会被拷贝到堆里，自然里面的 a struct->a 也会拷贝到堆里
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}
同理可证：
在 ARC 中无论是否添加
__block，block 中的 auto 变量都会被从栈上 copy 到堆上。
证明代码如下：
__block int a = 0;
int b = 1;
NSLog(@"定义前外部：a：%p", &a); //栈区
NSLog(@"定义前外部：b：%p", &b); //栈区
void (^foo)(void) = ^{
a = 1;
NSLog(@"block内部：a：%p", &a); //堆区
NSLog(@"block内部：b：%p", &b); //堆区
};
NSLog(@"定义后外部：a：%p", &a); //堆区
NSLog(@"定义后外部：b：%p", &b); //栈区
foo();
打印是：
2020-06-08 12:59:43.633180+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] 定义前外部：a：0x7ffee3d81078
2020-06-08 12:59:43.633328+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] 定义前外部：b：0x7ffee3d8105c
2020-06-08 12:59:43.633535+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] 定义后外部：a：0x600003683578
2020-06-08 12:59:43.633640+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] 定义后外部：b：0x7ffee3d8105c
2020-06-08 12:59:43.633754+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] block内部：a：0x600003683578
2020-06-08 12:59:43.633859+0800 Demo_38_block_edit_var[35375:7813379] block内部：b：0x6000038ff628
__block 关键字修饰后，int类型也从4字节变成了32字节，这是 Foundation 框架 malloc 出来的。这也同样能证实上面的结论。（PS：居然比 NSObject alloc 出来的 16 字节要多一倍）。
改外部变量必要条件之“将 auto 变量封装为结构体(对象)”
正如上文提到的：
我们都知道：Block不允许修改外部变量的值，这里所说的外部变量的值，指的是栈中 auto 变量。
__block作用是将 auto 变量封装为结构体(对象)，在结构体内部新建一个同名 auto 变量，block 内截获该结构体的指针，在 block 中使用自动变量时，使用指针指向的结构体中的自动变量。于是就可以达到修改外部变量的作用。
如果把编译器的“不允许修改外部”这种行为理解为：对 block 内部捕获到的 auto 变量设置为只读属性---不允许直接修改。
那么 __block 的作用就是创建了一个函数，允许你通过这个函数修改“对外只读”的属性。
属性对外只读，但是对外提供专门的修改值的方法，在开发中这种做法非常常见。
自动变量生成的结构体：
struct __Block_byref_c_0 {
void *__isa;
__Block_byref_c_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
//自动变量
int c;
};
block:
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
//截获的结构体指针
__Block_byref_c_0 *c; // by ref
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_c_0 *_c, int flags=0) : c(_c->__forwarding) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
block中使用自动变量：
static int __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself, int a) {
//指针
__Block_byref_c_0 *c = __cself->c; // bound by ref
(c->__forwarding->c) = 11;
a = a + (c->__forwarding->c);
return a;
}
理解到这是因为添加了修改只读属性的方法，而非所谓的“写操作生效”，这一点至关重要，要不然你如何解释下面这个现象：
以下代码编译可以通过，并且在 block 中成功将 a 的从 Tom 修改为 Jerry。
NSMutableString *a = [NSMutableString stringWithString:@"Tom"];
void (^foo)(void) = ^{
a.string = @"Jerry";
//a = [NSMutableString stringWithString:@"William"]; //编译报错
};
foo();
同理如下操作也是允许的：
//
// main.m
// Demo_38_block_edit_var
//
// Created by chenyilong on 2020/6/3.
// Copyright © 2020 ChenYilong. All rights reserved.
//
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"
typedef void (^CYLBlock)(void);
int main(int argc, char * argv[]) {
NSString * appDelegateClassName;
@autoreleasepool {
appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
NSMutableArray *array = [[NSMutableArray array] init];
CYLBlock block = ^{
[array addobject: 0"123"];
array = nil; //编译报错
};
block();
}
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}
以上都是在使用变量而非修改变量，所以不会编译报错。
