[iOS]Block系列探究六 - __block变量和对象

之前的文章[iOS]Block系列探究二 - 捕获变量谈论过__block是如何处理基础类型的局部变量使block内部可以修改局部变量的。这篇文章我们仔细研究下__block说明符修饰变量和对象。

一、修饰基本类型局部变量

1.1 栈Block捕获__block局部变量

首先我们研究一下__block说明符修饰局部变量。不多说，直接上OC代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    NSInteger val = 10;
    NSLog(@"step1 -- val = %p", &val);
    
    __block NSInteger __block_val = val;
    NSLog(@"step1 -- __block_val = %p", &__block_val);
    
    void (^__weak block)(void) = ^{
        NSLog(@"step3 -- __block_val = %p", &__block_val);
    };
    NSLog(@"step2 -- __block_val = %p", &__block_val);
    block();
    
    return 0;
}

我们看一下控制台打印情况：

step1 -- val = 0x7ffeefbff528
step1 -- __block_val = 0x7ffeefbff520
step2 -- __block_val = 0x7ffeefbff520
step3 -- __block_val = 0x7ffeefbff520

我们发现,__block_val的地址偏移了8个字节，好像看不出什么情况，下面我们来研究一下到底发生了什么。
我们clang一下上面的OC代码，下面是关键的C++代码：

// __block结构体
struct __Block_byref___block_val_0 {
  void *__isa;
__Block_byref___block_val_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 NSInteger __block_val;
};

// main函数中__block结构体创建，对应`__block NSInteger __block_val = val;`
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref___block_val_0 __block_val = {(void*)0,(__Block_byref___block_val_0 *)&__block_val, 0, sizeof(__Block_byref___block_val_0), val};

// main函数中`NSLog(@"step1 -- __block_val = %p", &__block_val);`
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_0r_hkkmpct143n4wd3xxk0l1j8c0000gn_T_main_db2967_mi_1, &(__block_val.__forwarding->__block_val));

// __NSConstantStringImpl__var_folders_0r_hkkmpct143n4wd3xxk0l1j8c0000gn_T_main_db2967_mi_1变量保存的字符串
static __NSConstantStringImpl __NSConstantStringImpl__var_folders_0r_hkkmpct143n4wd3xxk0l1j8c0000gn_T_main_db2967_mi_1 __attribute__ ((section ("__DATA, __cfstring"))) = {__CFConstantStringClassReference,0x000007c8,"step1 -- __block_val = %p",25};

我们可以看到__block NSInteger __block_val = val;这句代码创建了__Block_byref___block_val_0类型的结构体__block_val。而我们在step1中打印的__block_val变量的地址实际上是打印了__block_val(结构体).__forwarding->__block_val的地址。
下面我会按照__Block_byref___block_val_0结构体自定义一个相同结构的BlockByref结构体，声明如下：

struct BlockByref {
    void *isa;
    struct BlockByref *forwarding;
    int flags;
    int size;
    NSInteger val;
};

接下来我们来看一下结构体中各个成员的地址和占用空间大小，代码如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    NSInteger val = 10;
    NSLog(@"step1 -- val = %p", &val);

    struct BlockByref __block_val = {(void*)0,(struct BlockByref *)&__block_val, 0, sizeof(__block_val), val};
    NSLog(@"sizeof(__block_val) : %zd ", sizeof(__block_val));
    NSLog(@"&__block_val : %p ", &__block_val);
    NSLog(@"&(__block_val.isa) : %p ", &(__block_val.isa));
    NSLog(@"sizeof(__block_val.isa) : %zd ", sizeof(__block_val.isa));
    NSLog(@"&(__block_val.forwarding) : %p ", &(__block_val.forwarding));
    NSLog(@"sizeof(__block_val.forwarding) : %zd ", sizeof(__block_val.forwarding));
    NSLog(@"&(__block_val.flags) : %p ", &(__block_val.flags));
    NSLog(@"sizeof(__block_val.flags) : %zd ", sizeof(__block_val.flags));
    NSLog(@"&(__block_val.size) : %p ", &(__block_val.size));
    NSLog(@"sizeof(__block_val.size) : %zd ", sizeof(__block_val.size));
    NSLog(@"&(__block_val.val) : %p ", &(__block_val.val));
    NSLog(@"sizeof(__block_val.val) : %zd ", sizeof(__block_val.val));
    
    return 0;
}

控制台打印如下：

2019-07-30 11:31:30.613377+0800 BlockDemo[16548:1818158] step1 -- val = 0x7ffeefbff528
2019-07-30 11:31:30.613508+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val) : 32
2019-07-30 11:31:30.613514+0800 BlockDemo[16548:1818158] &__block_val : 0x7ffeefbff508
2019-07-30 11:31:30.613519+0800 BlockDemo[16548:1818158] &(__block_val.isa) : 0x7ffeefbff508
2019-07-30 11:31:30.613524+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val.isa) : 8
2019-07-30 11:31:30.613528+0800 BlockDemo[16548:1818158] &(__block_val.forwarding) : 0x7ffeefbff510
2019-07-30 11:31:30.613533+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val.forwarding) : 8
2019-07-30 11:31:30.613537+0800 BlockDemo[16548:1818158] &(__block_val.flags) : 0x7ffeefbff518
2019-07-30 11:31:30.613541+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val.flags) : 4
2019-07-30 11:31:30.613546+0800 BlockDemo[16548:1818158] &(__block_val.size) : 0x7ffeefbff51c
2019-07-30 11:31:30.613551+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val.size) : 4
2019-07-30 11:31:30.613559+0800 BlockDemo[16548:1818158] &(__block_val.val) : 0x7ffeefbff520
2019-07-30 11:31:30.613563+0800 BlockDemo[16548:1818158] sizeof(__block_val.val) : 8

我们来画个图，靠图理解一下：

BlockByref内存分配

__block_val结构体占据了0x7ffeefbff508到0x7ffeefbff52832个字节的空间(关于结构体的内存对齐可以自行Google)。val变量占据了8个字节的空间。

那么返回到最开始的控制台打印代码段，我们就可以理解了__block_val的地址和val的地址差了8个字节是为什么了。

我们看一下这句代码：

NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_0r_hkkmpct143n4wd3xxk0l1j8c0000gn_T_main_db2967_mi_1, &(__block_val.__forwarding->__block_val));

改成方便我们看的代码：

NSLog(@"step1 -- __block_val = %p", &(__block_val.__forwarding->__block_val));

我们可以看到，被__block修饰过的__block_val变量，我们在使用时，其实是在使用__block_val(结构体).__forwarding->__block_val。那么为什么__block_val(结构体).__forwarding->__block_val和__block_val(结构体).__block_val是同一个成员变量呢，因为这个使用__forwarding存储着__block_val结构体的地址，我们画个图消化一下：

__Block_byref___block_val_0结构体示意图

我们可以发现__block_val(结构体).__forwarding和__block_val(结构体)是一样的,只不过__block_val(结构体)可以直接使用点语法获取成员，__block_val(结构体).__forwarding因为是指针变量，需要使用->获取成员。


那么我们来总结一下，当栈Block捕获__block局部变量时，__block变量创建的结构体是在栈上的，内存由系统管理。

1.2 堆Block捕获__block局部变量

我们再来看一下堆Block捕获__block局部变量的情况吧，不多说，直接上OC代码：

NSInteger val = 10;
    NSLog(@"step1 -- val = %p", &val);
    
    __block NSInteger __block_val = val;
    NSLog(@"step1 -- __block_val = %p", &__block_val);
    
    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"step3 -- __block_val = %p", &__block_val);
    };
    NSLog(@"step2 -- __block_val = %p", &__block_val);
    block();

我们再来看一下控制台打印情况:

step1 -- val = 0x7ffeefbff528
step1 -- __block_val = 0x7ffeefbff520
step2 -- __block_val = 0x104104b58
step3 -- __block_val = 0x104104b58

我们可以看到step2和step3的val地址是在堆上面的。其实很好理解，Block在从栈拷贝到堆上的时候，会对捕获的变量进行拷贝操作，这个时候会同样在堆上拷贝一份__block_val结构体，为了在Block没有销毁时捕获的__block变量还存在，这个时候结构体的__forwarding指针保存的就是堆上的__block_val结构体，__block_val(结构体).__forwarding->__block_val获取到的成员就是堆上的__block_val。

我们画个图理解一下：

__Block_byref___block_val_0拷贝示意图

所以在

void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"step3 -- __block_val = %p", &__block_val);
};

上面这行代码前，__block_val(结构体).__forwarding->__block_val获取到的成员是栈上的__block_val，代码后__block_val(结构体).__forwarding->__block_val获取到的成员是堆上的__block_val。

二、修饰对象类型局部变量

2.1 栈Block捕获__block对象类型局部变量

直接上代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    NSMutableArray *arrM = [NSMutableArray new];
    NSLog(@"step1 -- arrM = %p", arrM);
    
    __block NSMutableArray *__block_arrM = arrM;
    NSLog(@"step1 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    
    void (^__weak block)(void) = ^{
        NSLog(@"step3 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    };
    NSLog(@"step2 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    block();
    
    return 0;
}

我们看一下控制台打印：

step1 -- arrM = 0x104916a70
step1 -- &__block_arrM = 0x7ffeefbff520
step2 -- &__block_arrM = 0x7ffeefbff520
step3 -- &__block_arrM = 0x7ffeefbff520

我们可以发现,arrM对象创建在堆上，但是__block_arrM结构体是创建在栈上的。__forwarding成员保存栈上的__block_arrM的地址，如下图：

__Block_byref___block_val_0结构体示意图

2.2 堆Block捕获__block对象类型局部变量

我们接下来看一下堆Block捕获__block对象类型局部变量，上代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    NSMutableArray *arrM = [NSMutableArray new];
    NSLog(@"step1 -- arrM = %p", arrM);
    
    __block NSMutableArray *__block_arrM = arrM;
    NSLog(@"step1 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    
    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"step3 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    };
    NSLog(@"step2 -- &__block_arrM = %p", &__block_arrM);
    block();
    
    return 0;
}

我们看一下控制台打印情况：

step1 -- arrM = 0x100704f20
step1 -- &__block_arrM = 0x7ffeefbff520
step2 -- &__block_arrM = 0x1007050b8
step3 -- &__block_arrM = 0x1007050b8

我们可以看到step2和step3的__block_arrM地址是在堆上面的，看来栈Block拷贝到堆Block的时候同样在堆上拷贝了一份__block_arrM结构体。如下图：

__Block_byref___block_val_0拷贝示意图

三、总结

我们最后总结一下,__block修饰变量，其实就是在栈上创建了一个结构体，这个结构体的最后一个成员是被__block修饰的变量，当被栈Block捕获时，结构体不会被拷贝到堆上，被堆Block捕获的时候，结构体会被拷贝到堆上。

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