三年后再看block

三年前，开始接触使用block的时候，觉得block的语法很怪异，也不理解block的原理，只是觉得block比代理更高级，会用block的人就牛逼。那时候看唐巧大神的博客，跟着他的博客学习。

时光荏苒，现在在看唐巧大神的博客，已经很少看到他在更新技术相关的文章了，基本上都是在更新一些看过的书籍之类的，很明显他转管理了，应该还很成功。唐巧好多事情，都是走在了绝大多数程序员的前面，很有前瞻性。

再看看巧大的block文章，当时觉得看起来特别费劲的。

唐巧的文章主要是将block是怎么实现的，现在看来高级编程里面讲的要更详细，细节更多一些。但是在那个时候，大概6，7年前，他能总结到这个水平，还是很厉害，很超前的。

现在回过头来，反思自己当初学习的时候，觉得当时的学习方法和心态都有很大的问题，当时学的费劲，很大程度上，是这两方面的问题。

问题

  1. 没有看清楚他整体文章思路，因为有好多c语言的复杂代码都是通过clang编译的，并不需要完全记住，给当时看文章的时候的增加了很大的难度
  2. 站在了一个读者的角度，他这篇文章其实讲述的是一个实践的过程，所以，应该站在他的角度，最好能动手实践。

方案

  1. 这次在重新开一遍文章
  2. 根据他提供的参考资料，看看自己是否能写出一遍跟他的文章类似的高质量block文章

block和delegate的区别

  1. 首先，我想说的是blcok 和 delegate的区别，其实在iOS 开发中，使用block 和 delegate 的目的，基本都是为了实现回调。
    block 的语法特点是代码集中，是一个集中的代码块。基于它的这一个特点，block 比较适合作为api设计的一部分，比如网络请求，需要有一个异步回调的操作，去把异步下载下来的数据，发送给对应的接受者。
    delegate 的声明部分和实现部分是分开的，比如UITableViewDelegate的声明和实现分别在UITableView中和某一个UIViewController中，是分散代码块。
    delegate 这样设计适用于公共接口较多的情况，这样做也更容易解耦
    这个就是iOS 开发中，block和delegate最明显的一个区别了。
    2.也有另外一个区别，从性能上来说，block的运行成本，要比delegate的运行成本高。
    block出栈时，需要将使用的数据从栈内存赋值到堆内存。delegate只保存一个对象指针，直接回调，并没有额外消耗，想比C语言的函数指针，只多了一个查表动作。

我觉得而面试的时候，基本上也就问道这里就结束了。因为后面的分析，真的挺麻烦的。

block的实现原理

  1. block 是什么
    block 是含有自定义变量的匿名函数
  2. 什么是匿名函数
    无论是c语言还是oc语言，我们正常声明一个函数的时候，都是需要定义函数名的。block可以声明匿名函数，用^来作为标识，其实在block的数据结构定义里面，后续还是会把匿名函数转换为正常的c语言函数
  3. 什么是自定义变量
    block 具有截获自动变量的功能，block的代码块里面如果有使用了外部的变量，block结构体中，会自动保存使用的外部变量。
    但是保存的代码块中的自动变量，不能修改，如果想修改，需要使用__block修饰外部变量。
  4. block 的结构定义
    block的结构定义这块的代码还有细节非常多，当时也是我看的非常乱的，而且现在也没有完全记住。我看巧大的博客，也是只记录了block的结构定义的关键点，然后通过clang将oc的源码改写成c语言进行分析的。

下面我也来按巧神发现问题解决问题的思路分析一下

  • block的数据结构介绍
  • block的三种类型及相关的内存管理方式
  • block如何通过capture方式来访问函数外部的变量
  1. block的数据结构介绍
image.png

其实这个block的结构体相对来说是比较比较好理解的，

struct Block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables. */
};
struct Block_descriptor {
    unsigned long int reserved;
    unsigned long int size;
    void (*copy)(void *dst, void *src);
    void (*dispose)(void *);
};

从图中我们可以看出来，block 的结构体有6个成员变量，但是这个跟clang 将objective-c转换过来的还是有区别的。clang装换的里面还有构造函数，block的实例是通过构造函数生成的。不过这个Block_layout看起来更通俗易懂。

  • isa
    任何对象都有isa指针，isa指针指向的是一个类对象，runtime中有详细的定义
  • flags
    表示block的附加信息，block copy 的实现代码中有对它的应用
  • reserved
    保留版本号，没有特别的用处
  • invoeke
    函数指针，指向具体的block函数实现的地址
  • Block-descriptor
    block的函数附加信息，包括大小，copy,dispose的函数指针。
  • variables
    capture 过来的变量，block能够访问它的外部局部变量，就是因为将这些变量复制到了结构体中。
    其实这还存在一个问题，为什么block已经把外部局部变量复制到了结构体中，但是在block代码块中修改外部局部变量，仍然要将外部局部变量用__block去修饰。
用clong工具分析得出来的代码，这个地方巧大做了特别说明，就是为什么clang分析出来的代码和上面图中的代码有些不一样，clong里面的代码是嵌套的，而上图的代码却不是嵌套的。

这个问题我以前也没有注意过，我当时以为是作者为了表述清楚，故意简化了，原来并不是这样。

巧神给的代码例子，我copy过来了

struct SampleA {
    int a;
    int b;
    int c;
};
struct SampleB {
    int a;
    struct Part1 {
        int b;
    };
    struct Part2 {
        int c;
    };
};

原因就是结构体本身，不带有任何的附加信息
敲黑板，重要的事情，说三遍

  1. block 的三种类型以及相关的内存管理方式
    现在看，三种类型无非就是block的实例放到哪里，可以放到，堆上，栈上，还有全局代变量区。
    _NSConcreteGlobalBlock 全局的静态 block，不会访问任何外部变量。
    _NSConcreteStackBlock 保存到栈区的block,当函数返回时会被销毁。
    _NSConcreteMallocBlock 保存到堆区的block,当引用计数为0时被销毁。

细节实现

  • 全局的静态block如何实现的
    建一个名为 block1.c 的源文件：
#include <stdio.h>
int main()
{
    ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
    return 0;
}

然后在命令行中输入clang -rewrite-objc block1.c即可在目录中看到 clang 输出了一个名为 block1.cpp 的文件。该文件就是 block 在 c 语言实现，我将 block1.cpp 中一些无关的代码去掉，将关键代码引用如下：

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;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("Hello, World!\n");
}
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()
{
    (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA) ();
    return 0;
}

下面我们就具体看一下是如何实现的。__main_block_impl_0 就是该 block 的实现，从中我们可以看出：

  1. 一个 block 实际是一个对象，它主要由一个 isa 和 一个 impl 和 一个 descriptor 组成。
  2. 在本例中，isa 指向 _NSConcreteGlobalBlock， 主要是为了实现对象的所有特性，在此我们就不展开讨论了。
  3. 由于 clang 改写的具体实现方式和 LLVM 不太一样，并且这里没有开启 ARC。所以这里我们看到 isa 指向的还是_NSConcreteStackBlock。但在 LLVM 的实现中，开启 ARC 时，block 应该是 _NSConcreteGlobalBlock 类型，具体可以看 《objective-c-blocks-quiz》 第二题的解释。
  4. impl 是实际的函数指针，本例中，它指向 __main_block_func_0。这里的 impl 相当于之前提到的 invoke 变量，只是 clang 编译器对变量的命名不一样而已。
  5. descriptor 是用于描述当前这个 block 的附加信息的，包括结构体的大小，需要 capture 和 dispose 的变量列表等。结构体大小需要保存是因为，每个 block 因为会 capture 一些变量，这些变量会加到 __main_block_impl_0 这个结构体中，使其体积变大。在该例子中我们还看不到相关 capture 的代码，后面将会看到。

这块巧大说的很细节了。几年前是真没看懂。现在感觉还可以。

  • 存在栈上的block的实现
    我们另外新建一个名为 block2.c 的文件，输入以下内容：
#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 100;
    void (^block2)(void) = ^{
        printf("%d\n", a);
    };
    block2();
    return 0;
}

用之前提到的 clang 工具，转换后的关键代码如下：

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int a = __cself->a; // bound by copy
    printf("%d\n", a);
}
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 a = 100;
    void (*block2)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a);
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block2)->FuncPtr)((__block_impl *)block2);
    return 0;
}

1.isa指针指向了_NSConcreteStackBlock，说明这是一个分配到栈上的实例。
2.main_block_impl_0 中增加了一个变量 a，在 block 中引用的变量 a 实际是在申明 block 时，被复制到 main_block_impl_0 结构体中的那个变量 a。因为这样，我们就能理解，在 block 内部修改变量 a 的内容，不会影响外部的实际变量 a。
3.main_block_impl_0 中由于增加了一个变量 a，所以结构体的大小变大了，该结构体大小被写在了 main_block_desc_0 中。
修改上面的源码，在变量前面增加 __block 关键字：

#include <stdio.h>
int main()
{
    __block int i = 1024;
    void (^block1)(void) = ^{
        printf("%d\n", i);
        i = 1023;
    };
    block1();
    return 0;
}

查看转换后的代码

struct __Block_byref_i_0 {
    void *__isa;
    __Block_byref_i_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    int i;
};
struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    __Block_byref_i_0 *i; // by ref
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    __Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref
    printf("%d\n", (i->__forwarding->i));
    (i->__forwarding->i) = 1023;
}
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 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()
{
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};
    void (*block1)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_i_0 *)&i, 570425344);
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block1)->FuncPtr)((__block_impl *)block1);
    return 0;
}

转换后的代码，明显比之前增加了好多代码

  1. 源码中增加了Block_byref_i_0 的结构体，这个结构体是用来保存截获并且要修改的变量i的。
    注意，当不用__block修饰的时候，__main_block_impl_0结构体中只是增加一个变量，而用__block修饰的时候，__main_block_impl_0结构体中又增加了一个结构体Block_byref_i_0
  2. __Block_byref_i_0 结构体中带有 isa，说明它也是一个对象。
  3. main_block_impl_0 中引用的是 Block_byref_i_0 的结构体指针，这样就可以达到修改外部变量的作用。
  4. 我们需要负责 Block_byref_i_0 结构体相关的内存管理，所以 main_block_desc_0 中增加了 copy 和 dispose 函数指针，对于在调用前后修改相应变量的引用计数。
  • NSConcreteMallocBlock 类型的 block 的实现
    NSConcreteMallocBlock 类型的 block 通常不会在源码中直接出现，因为默认它是当一个 block 被 copy 的时候，才会将这个 block 复制到堆中。以下是一个 block 被 copy 时的示例代码，可以看到，在第 8 步，目标的 block 类型被修改为 _NSConcreteMallocBlock。
static void *_Block_copy_internal(const void *arg, const int flags) {
    struct Block_layout *aBlock;
    const bool wantsOne = (WANTS_ONE & flags) == WANTS_ONE;
    // 1
    if (!arg) return NULL;
    // 2
    aBlock = (struct Block_layout *)arg;
    // 3
    if (aBlock->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) {
        // latches on high
        latching_incr_int(&aBlock->flags);
        return aBlock;
    }
    // 4
    else if (aBlock->flags & BLOCK_IS_GLOBAL) {
        return aBlock;
    }
    // 5
    struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
    if (!result) return (void *)0;
    // 6
    memmove(result, aBlock, aBlock->descriptor->size); // bitcopy first
    // 7
    result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK);    // XXX not needed
    result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
    // 8
    result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
    // 9
    if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
        (*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
    }
    return result;
}

变量的复制

  1. 对于block 外部变量的引用，block默认是将其复制到block的结构体中来实现访问。
image.png

2.对于用__block修饰的外部变量引用，block是复制其应用地址来实现访问的。


image.png

ARC对block的影响

在 ARC 开启的情况下，将只会有 NSConcreteGlobalBlock 和 NSConcreteMallocBlock 类型的 block。

原本的 NSConcreteStackBlock 的 block 会被 NSConcreteMallocBlock 类型的 block 替代。证明方式是以下代码在 XCode 中，会输出 <__NSMallocBlock__: 0x100109960>。在苹果的 官方文档 中也提到，当把栈中的 block 返回时，不需要调用 copy 方法了。

#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        int i = 1024;
        void (^block1)(void) = ^{
            printf("%d\n", i);
        };
        block1();
        NSLog(@"%@", block1);
    }
    return 0;
}

唐巧认为这么做的原因是，由于 ARC 已经能很好地处理对象的生命周期的管理，这样所有对象都放到堆上管理，对于编译器实现来说，会比较方便。

花了一下午时间，又重新梳理了block,目前已经基本都可以看懂了，以后还要更加深入的了解block的底层实现。

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