Block源码解析和深入理解

Block的本质

Block是"带有自动变量值的匿名函数".

我们通过Clang（LLVM编译器）来将OC的代码转换成C++源码的形式，通过如下命令：

clang -rewrite-objc 源代码文件名

下面，我们要转换的Block语法

int main(int argc, const char * argv[]) {
    void (^blk)(void) = ^{
        printf("Block\n");
    };
    blk();
    return 0;
}

该源代码通过Clang 可变换为以下形式：

/*
    __block_impl （block）结构体声明
*/
struct __block_impl {
  void *isa; // isa 指针，指向父类的实例。void * 相当于 id 是个实例。
  int Flags; // 
  int Reserved;
  void *FuncPtr; //函数指针 指向block代码块的实现函数
};
/*
    __main_block_impl_0 匿名的block 结构体声明和实现
*/
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;//block 的结构体实例
  struct __main_block_desc_0* Desc; //block des的指针 指向block的详情
  /*
    __main_block_impl_0 结构体构造函数实现
  */
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; // 初始化 block 实例属性 isa ，表示该block 是 _NSConcreteStackBlock (栈)类型的代码块
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;// block 具体的函数实现指针
    Desc = desc;//desc 指针
  }
};
/*
     匿名block 具体的函数实现
*/
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

        printf("Block\n");
    }
/*
    匿名block desc 指针的具体函数实现，对block（__main_block_impl_0） 结构体实例的大小进行初始化
*/
static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved; // 升级所需区域
  size_t Block_size;//block 实际内存大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

/*
    把多余的转换去掉，看起来就比较清楚了：
    第一部分：block的初始化
    __main_block_func_0: 参数一 是block语法转换的C语言函数指针。
    __main_block_desc_0_DATA： 参数二 作为静态全局变量初始化的 __main_block_desc_0 结构体实例指针
    struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;
    第二部分：
    block的执行： blk()
    去掉转化部分：
       (*blk -> imp.FuncPtr)(blk);
    这就是简单地使用函数指针调用函数。由Block语法转换的 __main_block_func_0 函数的指针被赋值成员变量FuncPtr中，另外 __main_block_func_0的函数的参数 __cself 指向Block的值，通过源码可以看出 Block 正式作为参数进行传递的。
*/
int main(int argc, const char * argv[]) {
    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

针对源码的解释大部分在代码中都注释了。需要特别指出的是：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)

中的参数 __cself 是指向 __main_block_impl_0 的指针，及匿名block 自身。
扩展：该句源码类似如 OC 中的方法消息传递，OC中每个方法都默认带两个参数一个是指向自身的实例self 一个是该方法的SEL 对象。
例如：

    - (void) method: (int)argc{
        NLog(@"%p %d \n",self,arg)
    }

Objective - C 编译器同C++的方法一样，也将该方法作为C语言的函数来处理.源码如下：

/*
    方法中 在转换成源码后 自动的添加了self, _cmd两个参数 
*/
    void _I_MyObjct_method_(struct Myobject *self,SEL _cmd, int arg){
        NSLog (@"%p %d \n",self,arg);
    }

截获自动变量值（局部变量）

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int val; //局部变量跟block外的类型一直
  const char *fmt; //跟block外的类型一致
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _dmy, int _val, const char *_fmt, int flags=0) : dmy(_dmy), val(_val), fmt(_fmt) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int val = __cself->val; // bound by copy //block 调用外部的局部变量 实际上 相当于Copy 了一份 所以不会影响 局部变量的值 也不能修改值 
  const char *fmt = __cself->fmt; // bound by copy

        printf("Block\n .. ,%d %s",dmy,val,fmt);
    }

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, const char * argv[]) {
    int dmy = 256; //局部变量 
    int val = 10; // 局部变量
    const char *fmt = "val = %d \n"; //局部变量
    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val, fmt));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

源码解析：block 在调用外部局部变量的时候其实是将外部局部变量 copy了一份使用的所以在没有任何修饰符的时候是不可以修改外部局部变量的。

__block 说明符

之前的分析中，block 无法改变被截获的自动变量的值。这样极为不便：
解决这个问题有两种方法，
第一种：C 语言中有一个变量，允许block改成值。具体如下：

静态变量
静态全局变量
全局变量

虽然Block语法的匿名函数部分简单的转换为了C语言函数，但从这个C语言函数中访问静态全局，全局变量并没有任何改变，可直接使用。
但静态变量的情况，转换后的函数原本就设置在含有Block语法的函数外，所以无法从变量作用域访问。
看看这段代码的源码：

     int global_val = 1;
     
     static int static_global_val = 2;
     
     int main(int argc, const char * argv[]) {
 
    static int static_val = 3;
    
    void (^blk)(void) = ^{
    
        global_val += 1;
        
        static_global_val += 2;
        
        static_val += 3;
        
        
    };
    
    blk();
    
    return 0;
    
    }

该源代码中使用了Block 改写静态变量静态全局变量全局变量。该源代码转换后如下：

int global_val = 1; //全局变量
 static int static_global_val = 2; //静态全局变量
            
 struct __main_block_impl_0 {
          struct __block_impl impl;
          struct __main_block_desc_0* Desc;
          int *static_val;//局部静态变量   --->  可以看出 跟局部变量不同 这边是接受的指针
          __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_static_val, int flags=0) : static_val(_static_val) {
            impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
            impl.Flags = flags;
            impl.FuncPtr = fp;
            Desc = desc;
          }
        };
        static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
          int *static_val = __cself->static_val; // bound by copy // 改代码跟局部变量 相似，实际上改变的是一个 复制后的指针.但该指针最终指向的 还是最初的变量值。
        
                global_val += 1;
                static_global_val += 2;
                (*static_val) += 3;
        
            }
        
        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, const char * argv[]) {
            static int static_val = 3;
            void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, &static_val));
            ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
            return 0;
        }

分析该源码：发现无论是全局还是静态全局都可以在Block中直接访问修改变量值。

然而，静态局部变量，貌似也可以正常访问，其调用原理，跟之前的局部变量的调用相似，唯一的不同是，在Block中调用的是指向该变量的指针，并且是赋值了一份指针（但还是最终指向原来的变量）。所以我们可以在Block中改变原理变量的值。
这样就有个疑问，我们为什么不使用静态局部变量，来使用去自动变量（局部变量）的访问呢？
原因：在该静态局部变量，有变量作用域，当block超出了该作用域，执行的时候，其内部调用的静态局部变量会被废弃，我们就无法调用到。因此Block中超出变量作用域而存在的变量同静态变量一样，将不能通过指针访问原来的自动变量。

解决Block 中不能保存值这一问题的第二个方法是使用__block

int main(int argc, const char * argv[]) {
    __block int val = 3;
    void (^blk)(void) = ^{
        val = 1;
    };
    blk();
    return 0;
}

将上面代码用 clang 转化后如下：

/*
    __block 转化成了结构体 
*/
struct __Block_byref_val_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_val_0 *__forwarding; //相当于一个指向源变量的指针
 int __flags;
 int __size;
 int val; //相当于源变量
};

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_val_0 *val; // by ref //持有源变量的结构体实例
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_val_0 *_val, int flags=0) : val(_val->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; // block 为栈类型
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_val_0 *val = __cself->val; // bound by ref ；类似于 静态局部变量 都是copy 一份指向源变量的结构体指针。

        (val->__forwarding->val) = 1;//通过访问 __block 结构体 成员变量 __forwarding 来访问源变量
    }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->val, (void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  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};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_val_0 val = {(void*)0,(__Block_byref_val_0 *)&val, 0, sizeof(__Block_byref_val_0), 3};
    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_val_0 *)&val, 570425344));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

源码解析：__Block_byref_val_0 结构体实例的成员变量__forwarding持有指向该实例自身的指针。通过成员变量__forwarding访问成员变量val。（成员变量val是该实例自身持有的变量，它相当于原自动变量）
如图所示：

Block存储域
Block 是Objective-C对象。上面我们所创建的block类都为_NSConcreteStackBlock.
由上面我们提到的源码可以知道：

    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock

根据 block 结构体实例的 isa 指针进行分类：

_NSConcreteStackBlock //不难看出其存储域在栈上
_NSConcreteGlobalBlock // 其存储域在全局
_NSConcreteMallocBlock // 其存储域在堆上
详细分类如图所示：

_NSConcreteGlobalBlock：存在的情况：

记述全局变量的地方有Block语法时
Block语法的表达式中不使用应截获的自动变量时

以上情况Block 为全局类对象。除此之外Block语法生成的Block为栈类对象，
例如（一）：

/*
    在下面的block中由于for循环的值 一直在变 所以Block截获的局部变量一直在变。
*/
    typedef int (^blk_t)(int);
    for (int rate = 0;rate < 10; ++rate){
        blk_t blk = ^(int count){
            return rate * count;
        }
    }

转化为源码如下：

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

由此可见虽然block 声明在全局中，但由于block初始化的时候调用了局部变量，所以该block创建成栈类型的。
_NSConcreteMallocBlock ：存在的情况
在分析之前我们看下之前遗留的问题：

Block 超出变量作用域可存在的原因
__block变量用结构体成员变量__forwarding存在的原因

配置在全局变量上的Block,从变量作用域外也可以通过指针安全的使用。但设置在栈上的Blcok，如果其变量作用域结束，该Block就被废弃，同样的__block也配置在栈上，所以其所属的变量作用域结束，则该__block变量也会被废弃。
Block提供了将Block和__block变量从栈上复制到堆上的方法来解决这个问题

而__block 变量用结构体成员变量__forwarding可以实现无论__block变量配置在栈上还是堆上都能够正确的访问__block变量。

深入理解blocks提供的复制方法究竟是啥？

实际上当ARC有效时，编译器会进行判断自动的将block从栈上复制到堆上
如：

    typedef int (^blk_t)(int);
        blk_t func (int count){
            return ^(int count){
                return rate *count;
            };
        }

源码转换为：

    blk_t func (int rate)
    {
        blk_t tmp = &__func_block_impl_0(
            _func_block_func_0,&_func_block_desc_0_DATA,rate
        );
        tmp = objc_retainBlock(tmp);
        return objc_autoreleaseReturnValue(tmp);
    }

分析源码：从源码来看在ARC状态下 block复制到堆上实际上其引用计数增加了。

__block变量的存储域

当block从栈中复制到堆上时，由于block持有__block变量，所以其__blcok变量也会从栈中复制到堆上，所以当block超出作用域调用__block变量也可以成功。这是和静态局部变量最大的区别。而静态局部变量，在block从栈中复制到堆上时，由于block不持有变量，所以静态局部变量不会复制到堆上，其作用域没变。故出作用域调用会崩溃。
如图所示：

截获对象

下面我们将id对象类型的局部变量在block中调用。id类型的对象默认修饰符都是__strong类型的。

typedef void (^blk_t)(id);
blk_t blk;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        id array = [[NSMutableArray alloc]init]; // __strong 类型修改的局部变量
        blk = [^(id objc){
            [array addObject:objc];
            NSLog(@"array count = %ld",[array count]);
        } copy];
    }
    blk(@"ww");
    return 0;
}

分析：按理来说 array 对象出了大括号作用域，强引用失效其对象就会废弃。但改代码运行正常。那么就意味着，array对象出大括号作用域时，没有被废弃，仍能正常访问。那么是什么原因呢，我们看下Clang之后的源码.

typedef void (*blk_t)(id);
blk_t blk;

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  id array;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, id _array, int flags=0) : array(_array) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself, id objc) {
  id array = __cself->array; // bound by copy //复制一份指针 赋值

            ((void (*)(id, SEL, ObjectType))(void *)objc_msgSend)((id)array, sel_registerName("addObject:"), (id)objc);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_0b_9hq6xqxs5gjcxx5j_skhh8n00000gn_T_main_1808b3_mi_0,((NSUInteger (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)array, sel_registerName("count")));
        }
        /*
                关键方法：该方法 相当于ARC 中的 retain方法，将对象的引用计数加一。但该方法除引用计数加一外，还有一个操作就是将block 从栈上复制到堆上，从而可以出作用域，调用id __strong修饰类型的对象。
        */
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->array, (void*)src->array, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}
/*
        dispose 相当于ARC 模式下的 release 将对象的引用计数减一。引用计数减一得同时，将堆上的block 废弃掉。
*/
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->array, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  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};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    {
        id array = ((NSMutableArray *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSMutableArray *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSMutableArray"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        blk = (blk_t)((id (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((void (*)(id))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, array, 570425344)), sel_registerName("copy"));///必须调用block 的copy 方法才能正常运行
    }
    ((void (*)(__block_impl *, id))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk, (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_0b_9hq6xqxs5gjcxx5j_skhh8n00000gn_T_main_1808b3_mi_1);
    return 0;
}

//从上面的源码可以发现：前提：当block调用copy方法，从栈中复制到对象，当Block调用的局部变量是个id对象的时候，该对象在block中自动的引用计数加一，并且该block持有该对象，也就是说，对象出了作用域也能被调用，知道block 从堆上废弃掉为止。如果block 的最后没有调用copy，那么该对象值，也会随着作用域的结束而被废弃。
总结：

什么时候栈上的Block会复制到堆上呢？

调用Block的copy实例方法时。
Block作为函数返回值返回时。
将Block赋值给附有__strong修饰符id类型的类或者Block类型成员变量时。
在方法名中含有usingBlock的cocoa框架方法或者GCD的API中传递Block时。

对象和__block的区别？

如果调用对象的Block，没有调用Copy 或者不在栈上，那么该对象出作用域就会被释放。
如果调用对象的Block，调用了Copy，或者Block在堆上，那么该对象的作用域跟使用__block修饰的变量的作用域一直，都会被Block所持有，并且生命周期，会随着Block的废除，而释放。

因此当Block中使用对象类型的自动变量时，除以下情形外，推荐调用Block的copy实例方法！！

block作为函数返回值返回时。
Block赋值给类的附加__strong修饰符的id类型或者Block类型的成员变量时。
向方法名中含有usingBlock的Cocoa框架方法或者GCD的API中传递Block时。

__block变量和对象

从前面我们看到__block可以修饰任意类型：

当然包括id对象__strong类型了，其原理是相同的：
当 block 从栈上复制到堆上时，__block 所修饰的自动变量也会从栈上复制到堆上，使用_Block_objct_assign函数，持有赋值给__block变量的对象。当 block 废弃时，__block所修饰的自动变量，也会通过函数_Block_objct_dispose ，释放掉__block变量的对象。
当__weak修饰符修饰时，由于__weak修饰的自动变量出作用域后会废弃自动置nil，所以当block调用的时候，其实是调用的nil对象所以不会崩溃，但取不到值。
当__block __weak 同时修饰自动变量时，还是因为__weak（不持有对象）的原因，当 block 从栈上复制到堆上时，__block变量复制到堆上的是一个nil值，所以对该变量进行的操作都是无效的。
当__block 和 __unsafe__unretained 同时修饰变量时，跟__weak不同，当__unsafe__unretained，所修饰的对象边nil 时该变量不会自动置nil，而是变成野指针，所以当block 从栈上复制到堆上时，实际上__block变量是一个野指针，所以当调用的时候回出错，导致程序崩溃
__block 和 __autoreleasing 修饰跟上面的__unsafe__unretained是一样的。

Block 循环引用

存在循环引用的情况：当block对象作为类的属性或者成员变量，并且在block初始化的时候，调用了self或者self相关类的成员变量。都会引起引用循环。

解决方法：

使用__weak 修饰要截取的自动变量，
当在MRC 中时，可以使用__unsafe_unretained（弊端不会自动置nil 容易出现野指针）修饰。
可以使用__block 修饰，前提是必须执行block代码块，而且可以适当地在代码块中手动的把__block变量置nil
以下是相关解决方法的实例：
实例一：

    typedef void (^blk_t)(void);
    @interface Myobject : NSObject
    {
        blk_t blk_; //成员变量
        id _objc;//成员变量
    }
    @end
    @implementation MyObject
    - (id)init
    {
        self = [super init];
        /*
            分析改代码会出现两种情况的引用循环：
             * 一种是：成员变量block 调用 self，self中持有block ，block中也持有self，导致引用循环，解决方法在之前 加入
             __weak typeof(self) weakSelf = self;
             * 第二中，虽然成员变量block没有直接调用self ，但其调用了成员变量_objc，所以也会造成引用循环:
             解决方法： __weak id weakObjc = _objc;
        */
        blk_ = ^{
            NSLog(@"self = %@, objc = %@",self,_objc);
        }   
        return self;
    }

实例二：

    typedef void (^blk_t)(void);
    @interface Myobject : NSObject
    {
        blk_t blk_; //成员变量
    }
    @end
    @implementation MyObject
    - (id)init
    {
        self = [super init];
        /*
            此处使用__block修饰变量，是的block 持有__block变量，而__block变量持有MyObject对象，而MyObject持有block对象。出现引用循环：
            然而 当 block执行的时候，__block变量废弃，从而消除引用循环
        */
    __block id temp = self;
        blk_ = ^{
            NSLog(@"self = %@,,self);
            temp = nil;
        }   
        return self;
    }
    - (void)execBlock
    {
        blk_()
     }
     int main (){
        id o = [[MyObject alloc] init];
        [o execBlock];//必须执行 否则导致引用循环
        return 0;    
     }

总结下__block 和 __weak 之间的优缺点：
使用__block变量的优点:

通过__block 变量可控制对象的持有期间
在不能使用__weak修饰符的环境中不使用__unsafe__unretain修饰符即可（不必担心野指针）
在执行Block时可动态的决定是否将nil或者其他对象赋值在__block变量中。

使用__block变量的缺点如下：

为避免循环引用必须执行Block

最后编辑于：2017.12.03 05:22:25

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