iOS 進階—— iOS 記憶體管理 & Block

發表於2017-02-09

第一篇 iOS 記憶體管理

1 似乎每個人在學習 iOS 過程中都考慮過的問題

alloc retain release delloc 做了什麼？
autoreleasepool 是怎樣實現的？
__unsafe_unretained 是什麼？
Block 是怎樣實現的
什麼時候會引起迴圈引用，什麼時候不會引起迴圈引用？

所以我將在本篇博文中詳細的從 ARC 解釋到 iOS 的記憶體管理，以及 Block 相關的原理、原始碼。

2 從 ARC 說起

說 iOS 的記憶體管理，就不得不從 ARC（Automatic Reference Counting / 自動引用計數）說起， ARC 是 WWDC2011 和 iOS5 引入的變化。ARC 是 LLVM 3.0 編譯器的特性，用來自動管理記憶體。

與 Java 中 GC 不同，ARC 是編譯器特性，而不是基於執行時的，所以 ARC 其實是在編譯階段自動幫開發者插入了管理記憶體的程式碼，而不是實時監控與回收記憶體。

ARC 的記憶體管理規則可以簡述為：

每個物件都有一個『被引用計數』

物件被持有，『被引用計數』+1

物件被放棄持有，『被引用計數』-1

『引用計數』=0，釋放物件

3 你需要知道

包含 NSObject 類的 Foundation 框架並沒有公開
Core Foundation 框架原始碼，以及通過 NSObject 進行記憶體管理的部分原始碼是公開的。
GNUstep 是 Foundation 框架的互換框架

GNUstep 也是 GNU 計劃之一。將 Cocoa Objective-C 軟體庫以自由軟體方式重新實現
某種意義上，GNUstep 和 Foundation 框架的實現是相似的
通過 GNUstep 的原始碼來分析 Foundation 的記憶體管理

4 alloc retain release dealloc 的實現

4.1 GNU – alloc

檢視 GNUStep 中的 alloc 函式。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc:

+ (id) alloc
{
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}
 
+ (id) allocWithZone: (NSZone*)z
{
return NSAllocateObject (self, 0, z);
}

+ (id) alloc

{

return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];

}

+ (id) allocWithZone: (NSZone*)z

{

return NSAllocateObject (self, 0, z);

}

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m NSAllocateObject:

struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
 
NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)
{
int size = 計算容納物件所需記憶體大小;
id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);
memset (new, 0, size);
new = (id)&((obj)new)[1];
}

struct obj_layout {

NSUInteger retained;

};

NSAllocateObject(Class aClass, NSUInteger extraBytes, NSZone *zone)

{

int size = 計算容納物件所需記憶體大小;

id new = NSZoneCalloc(zone, 1, size);

memset (new, 0, size);

new = (id)&((obj)new)[1];

}

NSAllocateObject 函式通過呼叫 NSZoneCalloc 函式來分配存放物件所需的空間，之後將該記憶體空間置為 nil，最後返回作為物件而使用的指標。

我們將上面的程式碼做簡化整理：

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m alloc 簡化版本:

struct obj_layout {
NSUInteger retained;
};
 
+ (id) alloc
{
int size = sizeof(struct obj_layout) + 物件大小;
struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);
return (id)(p+1)
return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];
}

struct obj_layout {

NSUInteger retained;

};

+ (id) alloc

{

int size = sizeof(struct obj_layout) + 物件大小;

struct obj_layout *p = (struct obj_layout *)calloc(1, size);

return (id)(p+1)

return [self allocWithZone: NSDefaultMallocZone()];

}

alloc 類方法用 struct obj_layout 中的 retained 整數來儲存引用計數，並將其寫入物件的記憶體頭部，該物件記憶體塊全部置為 0 後返回。

一個物件的表示便如下圖：

4.2 GNU – retain

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retainCount:

- (NSUInteger) retainCount
{
return NSExtraRefCount(self) + 1;
}
 
inline NSUInteger
NSExtraRefCount(id anObject)
{
return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;
}

- (NSUInteger) retainCount

{

return NSExtraRefCount(self) + 1;

}

inline NSUInteger

NSExtraRefCount(id anObject)

{

return ((obj_layout)anObject)[-1].retained;

}

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m retain:

- (id) retain
{
NSIncrementExtraRefCount(self);
return self;
}
 
inline void
NSIncrementExtraRefCount(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)
[NSException raise: NSInternalInconsistencyException
format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”];
((obj_layout)anObject)[-1].retained++;
}

- (id) retain

{

NSIncrementExtraRefCount(self);

return self;

}

inline void

NSIncrementExtraRefCount(id anObject)

{

if (((obj)anObject)[-1].retained == UINT_MAX - 1)

[NSException raise: NSInternalInconsistencyException

format: @"NSIncrementExtraRefCount() asked to increment too far”];

((obj_layout)anObject)[-1].retained++;

}

以上程式碼中， NSIncrementExtraRefCount 方法首先寫入了當 retained 變數超出最大值時發生異常的程式碼（因為 retained 是 NSUInteger 變數），然後進行 retain ++ 程式碼。

4.3 GNU – release

和 retain 相應的，release 方法做的就是 retain --。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m release

- (oneway void) release
{
if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))
{
[self dealloc];
}
}
 
BOOL
NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)
{
if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)
{
return YES;
}
((obj)anObject)[-1].retained--;
return NO;
}

- (oneway void) release

{

if (NSDecrementExtraRefCountWasZero(self))

{

[self dealloc];

}

BOOL

NSDecrementExtraRefCountWasZero(id anObject)

{

if (((obj)anObject)[-1].retained == 0)

{

return YES;

}

((obj)anObject)[-1].retained--;

return NO;

}

4.4 GNU – dealloc

dealloc 將會對物件進行釋放。

GNUstep/modules/core/base/Source/NSObject.m dealloc:

- (void) dealloc
{
NSDeallocateObject (self);
}
 
inline void
NSDeallocateObject(id anObject)
{
obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];
free(o);
}

- (void) dealloc

{

NSDeallocateObject (self);

}

inline void

NSDeallocateObject(id anObject)

{

obj_layout o = &((obj_layout)anObject)[-1];

free(o);

}

4.5 Apple 實現

在 Xcode 中設定 Debug -> Debug Workflow -> Always Show Disassenbly 開啟。這樣在打斷點後，可以看到更詳細的方法呼叫。

通過在 NSObject 類的 alloc 等方法上設定斷點追蹤可以看到幾個方法內部分別呼叫了：

retainCount

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashGetCountOfKey

retain

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashAddValue

release

__CFdoExternRefOperation
CFBasicHashRemoveValue

可以看到他們都呼叫了一個共同的 __CFdoExternRefOperation 方法。

該方法從字首可以看到是包含在 Core Foundation，在 CFRuntime.c 中可以找到，做簡化後列出原始碼：

CFRuntime.c __CFDoExternRefOperation:

int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {
CFBasicHashRef table = 取得物件的雜湊表(obj);
int count;
 
switch (op) {
case OPERATION_retainCount:
count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);
return count;
break;
case OPERATION_retain:
count = CFBasicHashAddValue(table, obj);
return obj;
case OPERATION_release:
count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);
return 0 == count;
}
}

int __CFDoExternRefOperation(uintptr_t op, id obj) {

CFBasicHashRef table = 取得物件的雜湊表(obj);

int count;

switch (op) {

case OPERATION_retainCount:

count = CFBasicHashGetCountOfKey(table, obj);

return count;

break;

case OPERATION_retain:

count = CFBasicHashAddValue(table, obj);

return obj;

case OPERATION_release:

count = CFBasicHashRemoveValue(table, obj);

return 0 == count;

}

所以 __CFDoExternRefOperation 是針對不同的操作，進行具體的方法呼叫，如果 op 是 OPERATION_retain，就去掉用具體實現 retain 的方法。

從 BasicHash 這樣的方法名可以看出，其實引用計數表就是雜湊表。

key 為 hash(物件的地址) value 為引用計數。

下圖是 Apple 和 GNU 的實現對比：

5 autorelease 和 autorelaesepool

在蘋果對於 NSAutoreleasePool 的文件中表示：

每個執行緒（包括主執行緒），都維護了一個管理 NSAutoreleasePool 的棧。當創先新的 Pool 時，他們會被新增到棧頂。當 Pool 被銷燬時，他們會被從棧中移除。
autorelease 的物件會被新增到當前執行緒的棧頂的 Pool 中。當 Pool 被銷燬，其中的物件也會被釋放。
當執行緒結束時，所有的 Pool 被銷燬釋放。

對 NSAutoreleasePool 類方法和 autorelease 方法打斷點，檢視其執行過程，可以看到呼叫了以下函式：

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];
// 等同於 objc_autoreleasePoolPush
 
id obj = [[NSObject alloc] init];
[obj autorelease];
// 等同於 objc_autorelease(obj)
 
[NSAutoreleasePool showPools];
// 檢視 NSAutoreleasePool 狀況
 
[pool drain];
// 等同於 objc_autoreleasePoolPop(pool)

NSAutoreleasePool *pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];

// 等同於 objc_autoreleasePoolPush

id obj = [[NSObject alloc] init];

[obj autorelease];

// 等同於 objc_autorelease(obj)

[NSAutoreleasePool showPools];

// 檢視 NSAutoreleasePool 狀況

[pool drain];

// 等同於 objc_autoreleasePoolPop(pool)

[NSAutoreleasePool showPools] 可以看到當前執行緒所有 pool 的情況：

objc[21536]: ##############
objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0
objc[21536]: 2 releases pending.
objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)
objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038
objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject
objc[21536]: ##############
Program ended with exit code: 0

objc[21536]: ##############

objc[21536]: AUTORELEASE POOLS for thread 0x10011e3c0

objc[21536]: 2 releases pending.

objc[21536]: [0x101802000] ................ PAGE (hot) (cold)

objc[21536]: [0x101802038] ################ POOL 0x101802038

objc[21536]: [0x101802040] 0x1003062e0 NSObject

objc[21536]: ##############

Program ended with exit code: 0

在 objc4 中可以檢視到 AutoreleasePoolPage：

objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage
 
class AutoreleasePoolPage
{
static inline void *push()
{
生成或者持有 NSAutoreleasePool 類物件
}
static inline void pop(void *token)
{
廢棄 NSAutoreleasePool 類物件
releaseAll();
}
static inline id autorelease(id obj)
{
相當於 NSAutoreleasePool 類的 addObject 類方法
AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 例項;
}
id *add(id obj)
{
將物件追加到內部陣列
}
void releaseAll()
{
呼叫內部陣列中物件的 release 方法
}
};
 
void *
objc_autoreleasePoolPush(void)
{
if (UseGC) return nil;
return AutoreleasePoolPage::push();
}
 
void
objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)
{
if (UseGC) return;
AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);
}

objc4/NSObject.mm AutoreleasePoolPage

class AutoreleasePoolPage

{

static inline void *push()

{

生成或者持有 NSAutoreleasePool 類物件

}

static inline void pop(void *token)

{

廢棄 NSAutoreleasePool 類物件

releaseAll();

}

static inline id autorelease(id obj)

{

相當於 NSAutoreleasePool 類的 addObject 類方法

AutoreleasePoolPage *page = 取得正在使用的 AutoreleasePoolPage 例項;

}

id *add(id obj)

{

將物件追加到內部陣列

}

void releaseAll()

{

呼叫內部陣列中物件的 release 方法

}

};

void *

objc_autoreleasePoolPush(void)

{

if (UseGC) return nil;

return AutoreleasePoolPage::push();

}

void

objc_autoreleasePoolPop(void *ctxt)

{

if (UseGC) return;

AutoreleasePoolPage::pop(ctxt);

}

AutoreleasePoolPage 以雙向連結串列的形式組合而成（分別對應結構中的 parent 指標和 child 指標）。
thread 指標指向當前執行緒。
每個 AutoreleasePoolPage 物件會開闢4096位元組記憶體（也就是虛擬記憶體一頁的大小），除了上面的例項變數所佔空間，剩下的空間全部用來儲存autorelease物件的地址。
next 指標指向下一個 add 進來的 autorelease 的物件即將存放的位置。
一個 Page 的空間被佔滿時，會新建一個 AutoreleasePoolPage 物件，連線連結串列。

6 __unsafe_unretained

有時候我們除了 __weak 和 __strong 之外也會用到 __unsafe_unretained 這個修飾符，那麼我們對 __unsafe_unretained 瞭解多少？

__unsafe_unretained 是不安全的所有權修飾符，儘管 ARC 的記憶體管理是編譯器的工作，但附有 __unsafe_unretained 修飾符的變數不屬於編譯器的記憶體管理物件。賦值時即不獲得強引用也不獲得弱引用。

來執行一段程式碼：

id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
 
obj1 = obj0;
 
NSLog(@"A: %@", obj1);
}
 
NSLog(@"B: %@", obj1);

id __unsafe_unretained obj1 = nil;

{

id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

obj1 = obj0;

NSLog(@"A: %@", obj1);

}

NSLog(@"B: %@", obj1);

執行結果：

2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A:
2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B:
Program ended with exit code: 0

2017-01-12 19:24:47.245220 __unsafe_unretained[55726:4408416] A:

2017-01-12 19:24:47.246670 __unsafe_unretained[55726:4408416] B:

Program ended with exit code: 0

對程式碼進行詳細分析：

id __unsafe_unretained obj1 = nil;
{
// 自己生成並持有物件
id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];
 
// 因為 obj0 變數為強引用，
// 所以自己持有物件
obj1 = obj0;
 
// 雖然 obj0 變數賦值給 obj1
// 但是 obj1 變數既不持有物件的強引用，也不持有物件的弱引用
NSLog(@"A: %@", obj1);
// 輸出 obj1 變數所表示的物件
}
 
NSLog(@"B: %@", obj1);
// 輸出 obj1 變數所表示的物件
// obj1 變數表示的物件已經被廢棄
// 所以此時獲得的是懸垂指標
// 錯誤訪問

id __unsafe_unretained obj1 = nil;

{

// 自己生成並持有物件

id __strong obj0 = [[NSObject alloc] init];

// 因為 obj0 變數為強引用，

// 所以自己持有物件

obj1 = obj0;

// 雖然 obj0 變數賦值給 obj1

// 但是 obj1 變數既不持有物件的強引用，也不持有物件的弱引用

NSLog(@"A: %@", obj1);

// 輸出 obj1 變數所表示的物件

}

NSLog(@"B: %@", obj1);

// 輸出 obj1 變數所表示的物件

// obj1 變數表示的物件已經被廢棄

// 所以此時獲得的是懸垂指標

// 錯誤訪問

所以，最後的 NSLog 只是碰巧正常執行，如果錯誤訪問，會造成 crash
在使用 __unsafe_unretained 修飾符時，賦值給附有 __strong 修飾符變數時，要確保物件確實存在

第二篇 Block

花幾分鐘時間看下面三個小題目，寫下你的答案。

這個三個小題目，我在整理此片博文之前給了三位朋友去解答，最後的結果，除了一位朋友 3 題全部正確，其他兩個朋友均只答中 1 題。

說明還是有很多 iOS 的朋友對於 Block 並沒有透徹理解。本篇博文會對 Block 進行詳細的解說。

1 Block 使用的簡單規則

先了解簡單規則，再去分析原理和實現：

Block 中，Block 表示式截獲所使用的自動變數的值，即儲存該自動變數的瞬間值。
修飾為 __block 的變數，在捕獲時，獲取的不再是瞬間值。

至於 Why，後面將會繼續說。

2 Block 的實現

Block 是帶有自動變數（區域性變數）的匿名函式。
Block 表示式很簡單，總體可以描述為：『^ 返回值型別引數列表表示式』。
但是 Block 並不是 Objective-C 中才有的語法，這是怎麼一回事？

clang 編譯器提供給程式設計師瞭解 Objective-C 背後機制的方法，通過 clang 的轉換可以看到 Block 的實現原理。

通過 clang -rewrite-objc yourfile.m clang 將會把 Objective-C 的程式碼轉換成 C 語言的程式碼。

2.1 Block 基本實現剖析

用 Xcode 建立 Command Line 專案，寫如下程式碼：

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

int main(int argc, const char * argv[]) {

void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block")};

blk();

return 0;

}

用 clang 轉換：

以上是轉換後的程式碼，不要方，一段一段看。

可以看到，Block 內部的內容，被轉換成了一個普通的靜態函式 __main_func_0。

再看其他部分：

main.cpp __block_impl:

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

struct __block_impl {

void *isa;

int Flags;

int Reserved;

void *FuncPtr;

};

__block_impl 結構體包括了一些標誌、今後版本升級預留的變數、函式指標。

main.cpp __main_block_desc_0:

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)};

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)};

__main_block_desc_0 結構體包括了今後版本升級預留的變數、block 大小。

main.cpp __main_block_impl_0:

__main_block_impl_0 結構體含有兩個成員變數，分別是 __block_impl 和 __main_block_desc_0例項變數。

此外，還含有一個構造方法。該構造方法在 main 函式中被如下呼叫：

main.cpp __main_block_impl_0 建構函式的呼叫:

1 2	void (blk)(void) = ((void ()())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));

去掉各種強制轉換，做簡化：

main.cpp __main_block_impl_0 建構函式的呼叫簡化:

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;

1 2	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;

以上程式碼即：將 __main_block_impl_0 結構體例項的指標，賦值給 __main_block_impl_0 結構體指標型別的變數 blk。也就是我們最初的結構體定義：

void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};

1	void (^blk)(void) = ^{NSLog(@"Block");};

另外，main 函式中還有另外一段：

((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);

1	((void ()(__block_impl ))((__block_impl )blk)->FuncPtr)((__block_impl )blk);

去掉各種轉換：

(*blk->impl.FuncPtr)(blk);

1	(*blk->impl.FuncPtr)(blk);

實際就是最初的：

blk();

blk();

本節所有程式碼在 block_implementation 中

2.2 Block 截獲外部變數瞬間值的實現剖析

2.1 中對最簡單的 無引數 Block 宣告、呼叫 進行了 clang 轉換。接下來再看一段『截獲自動變數』的程式碼(可以使用命令 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=macosx-10.7 main.m)：

int main(int argc, const char * argv[]) {
 
int val = 10;
const char *fmt = "val = %d\n";
void (^blk)(void) = ^{printf(fmt, val);};
 
val = 2;
fmt = "These values were changed, val = %d\n";
 
blk();
 
return 0;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

int val = 10;

const char *fmt = "val = %d\n";

void (^blk)(void) = ^{printf(fmt, val);};

val = 2;

fmt = "These values were changed, val = %d\n";

blk();

return 0;

}

clang 轉換之後：

和 2.1 節中的轉換程式碼對比，可以發現多了一些程式碼。

首先，__main_block_impl_0 多了一個變數 val，並在建構函式的引數中加入了 val 的賦值：

main.cpp __main_block_impl_0:

struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
const char *fmt;
int val;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, const char *_fmt, int _val, int flags=0) : fmt(_fmt), val(_val) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};

struct __main_block_impl_0 {

struct __block_impl impl;

struct __main_block_desc_0* Desc;

const char *fmt;

int val;

__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, const char *_fmt, int _val, int flags=0) : fmt(_fmt), val(_val) {

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

impl.Flags = flags;

impl.FuncPtr = fp;

Desc = desc;

}

};

而在 main 函式中，對 Block 的宣告變為此句：

main.cpp __main_block_impl_0 建構函式的呼叫:

void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));

1	void (blk)(void) = ((void ()())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, fmt, val));

去掉轉換：

main.cpp __main_block_impl_0 建構函式的呼叫簡化:

struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val);
struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;

1 2	struct __main_block_impl_0 tmp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val); struct __main_block_impl_0 *blk = &tmp;

_所以，在 Block 被宣告時，Block 已經將 val 作為 __main_block_impl_0 的內部變數儲存下來了。無論在在宣告之後怎樣更改 val 的值，都不會影響，Block 呼叫時訪問的內部 val 值。這就是 Block 捕獲變數瞬間值的原理。_

本節所有程式碼在 EX05 中

2.3 __block 變數的訪問實現剖析

我們知道，Block 中能夠讀取，但是不能更改一個區域性變數，如果去更改，Xcode 會提示你無法在 Block 內部更改變數。

Block 內部只是對區域性變數只讀，但是 Block 能讀寫以下幾種變數：

靜態變數
靜態全域性變數
全域性變數

也就是說以下程式碼是沒有問題的：

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 * 2;
static_global_val = 2 * 2;
static_val = 3 * 2;
}
 
return 0;
}

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 * 2;

static_global_val = 2 * 2;

static_val = 3 * 2;

}

return 0;

}

如果想在 Block 內部寫區域性變數，需要對訪問的區域性變數增加 __block 修飾。

__block 修飾符其實類似於 C 語言中 static、auto、register 修飾符。用於指定將變數值設定到哪個儲存域中。

具體 __block 之後究竟做了哪些變化我們可以寫程式碼測試：

EX07:

int main(int argc, const char * argv[]) {
 
__block int val = 10;
void (^blk)(void) = ^{val = 1;};
 
return 0;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

__block int val = 10;

void (^blk)(void) = ^{val = 1;};

return 0;

}

clang 轉換之後：

跟 2.2 對比，似乎又加了非常程式碼。發現多了兩個結構體。

main.cpp __Block_byref_val_0:

struct __Block_byref_val_0 {
void *__isa;
__Block_byref_val_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
int val;
};

struct __Block_byref_val_0 {

void *__isa;

__Block_byref_val_0 *__forwarding;

int __flags;

int __size;

int val;

};

很驚奇的發現，block 型別的 val 變成了結構體 Block_byref_val_0的例項。這個例項內，包含了isa指標、一個標誌位flags、一個記錄大小的size。最最重要的，多了一個forwarding指標和val 變數。這是怎麼回事？

在 main 函式部分，例項化了該結構體：

main.cpp main.m 部分:

__Block_byref_val_0 val = {(void*)0,
(__Block_byref_val_0 *)&val,
0,
sizeof(__Block_byref_val_0),
10};

__Block_byref_val_0 val = {(void*)0,

(__Block_byref_val_0 *)&val,

sizeof(__Block_byref_val_0),

10};

我們可以看出該結構體物件初始化時：

__forwarding 指向了結構體例項本身在記憶體中的地址
val = 10

而在 main 函式中，val = 1 這句賦值語句變成了：

main.cpp val = 1; 對應的函式

(val->__forwarding->val) = 1;

1	(val->__forwarding->val) = 1;

這裡就可以看出其精髓，val = 1，實際上更改的是 __Block_byref_val_0 結構體例項 val 中的 __forwarding 指標（也就是本身）指向的 val 變數。

而對 val 訪問也是如此。你可以理解為通過取地址改變變數的值，這和 C 語言中取地址改變變數類似。

所以，宣告 block 的變數可以被改變。至於 forwarding 的其他巨大作用，會繼續分析。

本節程式碼在 EX05 中

3 Block 的儲存域

Block 有三種型別，分別是：

__NSConcreteStackBlock ————————棧中

__NSConcreteGlobalBlock ————————資料區域中

__NSConcreteMallocBlock ————————堆中

__NSConcreteGlobalBlock 出現的地方有：

設定全域性變數的地方有 Block 語法時
Block 語法的表示式中不使用任何外部變數時

設定在棧上的 Block，如果所屬的變數作用域結束，Block 就會被廢棄。如果其中用到了 block，block 所屬的變數作用域結束也會被廢棄。

為了解決這個問題，Block 在必要的時候就需要從棧中移到堆中。ARC 有效時，很多情況下，編譯器會幫助完成 Block 的 copy，但很多情況下，我們需要手動 copy Block。

對不同儲存域的 Block copy 時，影響如下：

copy 時，對訪問到的 __block 型別物件影響如下：

此時可以看出 __forwarding 的巨大作用——無論 Block 此時在堆中還是在棧中，由於 __forwarding 指向區域性變數轉換成的結構體例項的真是地址，所以都能確保正確的訪問。

具體的來說：

當 block 變數被一個 Block 使用時，Block 從棧複製到堆，block 變數也會被複制到，並被該 Block 持有。
在 block 變數被多個 Block 使用時，在任何一個 Block 從棧複製到堆時， block 變數也會被複制到堆，並被該 Block 持有。但由於 __forwarding 指標的存在，無論 block 變數和 Block 在不在同一個儲存域，都可以正確的訪問 block 變數。
如果堆上的 Block 被廢棄，那麼它所使用的 __block 變數也會被釋放。

前面說到編譯器會幫助完成一些 Block 的 copy，也有手動 copy Block。那麼 Block 被複制到堆上的情況有（此段摘自於『Objective-C高階程式設計 iOS與OS X多執行緒和記憶體管理』）：

呼叫 Block 的 copy 方法時
Block 作為返回值時
將 Block 賦值給附有 __strong 修飾符的成員變數時（id型別或 Block 型別）時
在方法名中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中傳遞 Block 時

4 Block 迴圈引用

Block 迴圈引用，是在程式設計中非常常見的問題，甚至很多時候，我們並不知道發生了迴圈引用，直到我們突然某一天發現『怎麼這個物件沒有呼叫 delloc』，才意識到有問題存在。

在『Block 儲存域』中也說明了 Block 在 copy 後對 __block 物件會 retain 一次。

那麼對於如下情況就會發生迴圈引用：

block_retain_cycle:

@interface MyObject : NSObject
 
@property (nonatomic, copy) blk_t blk;
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
 
@end
 
@implementation MyObject
 
- (instancetype)init {
self = [super init];
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", self);};
return self;
}
 
- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}
 
@end
 
int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc] init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}

@interface MyObject : NSObject

@property (nonatomic, copy) blk_t blk;

@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;

@end

@implementation MyObject

- (instancetype)init {

self = [super init];

_blk = ^{NSLog(@"self = %@", self);};

return self;

}

- (void)dealloc {

NSLog(@"%@ dealloc", self.class);

}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {

id myobj = [[MyObject alloc] init];

NSLog(@"%@", myobj);

return 0;

}

由於 self -> blk，blk -> self，雙方都無法釋放。

但要注意的是，對於以下情況，同樣會發生迴圈引用：

block_retain_cycle
 
@interface MyObject : NSObject
 
@property (nonatomic, copy) blk_t blk;
 
// 下面是多加的一句
@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;
 
@end
 
@implementation MyObject
 
- (instancetype)init {
self = [super init];
 
// 下面是多加的一句
_blk = ^{NSLog(@"self = %@", _obj);};
 
return self;
}
 
- (void)dealloc {
NSLog(@"%@ dealloc", self.class);
}
 
@end
 
int main(int argc, const char * argv[]) {
id myobj = [[MyObject alloc] init];
NSLog(@"%@", myobj);
return 0;
}

block_retain_cycle

@interface MyObject : NSObject

@property (nonatomic, copy) blk_t blk;

// 下面是多加的一句

@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;

@end

@implementation MyObject

- (instancetype)init {

self = [super init];

// 下面是多加的一句

_blk = ^{NSLog(@"self = %@", _obj);};

return self;

}

- (void)dealloc {

NSLog(@"%@ dealloc", self.class);

}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {

id myobj = [[MyObject alloc] init];

NSLog(@"%@", myobj);

return 0;

}

這是由於 self -> obj，self -> blk，blk -> obj。這種情況是非常容易被忽視的。

5 重審問題

我們再來看看最初的幾個小題目：

第一題：
由於 Block 捕獲瞬間值，所以輸出為 in block val = 0
第二題：
由於 val 為 __block，外部更改會影響到內部訪問，所以輸出為 in block val = 1
第三題：
和第二題類似，val = 1 能影響到 Block 內部訪問，所以先輸出 in block val = 1，之後在 Block 內部更改 val 值，再次訪問時輸出 after block val = 2。

Other

我寫這篇文章是在我閱讀了『Objective-C高階程式設計 iOS與OS X多執行緒和記憶體管理』一書之後，博文中也有很內容源於『Objective-C高階程式設計 iOS與OS X多執行緒和記憶體管理』。

非常向大家推薦此書。這本書裡記錄了關於 iOS 記憶體管理的深入內容。但要注意的是，此書中的多處知識點並不是很詳細，需要你以擴充的心態去學習。在有解釋不詳細的地方，自己主動去探索，去擴充，找更多的資料，最後，你會發現你對 iOS 記憶體管理有了更多的深入的理解。

對於文章中的測試程式碼，全部在這裡。

有什麼問題都可以在博文後面留言，或者微博上私信我，或者郵件我coderfish@163.com。

博主是 iOS 妹子一枚。

希望大家一起進步。

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1 似乎每個人在學習 iOS 過程中都考慮過的問題

2 從 ARC 說起

3 你需要知道

4 alloc retain release dealloc 的實現

4.1 GNU – alloc

4.2 GNU – retain

4.3 GNU – release

4.4 GNU – dealloc

4.5 Apple 實現

5 autorelease 和 autorelaesepool

6 __unsafe_unretained

第二篇 Block

1 Block 使用的簡單規則

2 Block 的實現

2.1 Block 基本實現剖析

2.2 Block 截獲外部變數瞬間值的實現剖析

2.3 __block 變數的訪問實現剖析

3 Block 的儲存域

4 Block 迴圈引用

5 重審問題

Other

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