理清 Block 底層結構及其捕獲行為

JABread發表於2018-09-30
BloC

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

Block 的本質

本質

  1. Block 的本質是一個 Objective-C 物件，它內部也擁有一個 isa 指標。
  2. Block 是封裝了函式及其呼叫環境的 Objective-C 物件

底層資料結構

一個簡單示例：

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

    void (^block)(void) = ^{
        NSLog(@"hey");
    };
    block();
    return 0;
}

複製程式碼

將以上 Objective-C 原始碼轉換成 c++ 相關原始碼，使用命令列 ： xcrun -sdk iphoneos xclang -arch arm64 -rewrite-objc 檔名

c++ 的結構體與一般的類相似。

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

    void (*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));

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

    return 0;
}
複製程式碼

其中 Block 的資料結構為：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
};
複製程式碼

impl 變數資料結構：

struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr; 
};
複製程式碼

FuncPtr：函式實際呼叫的地址，因為 Block 可看作是捕獲自動變數的匿名函式。

Desc 變數資料結構：

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
}
複製程式碼

Block 的型別

Objective-C 中 Block 有三種型別，其最終型別都是 NSBlock 。

  • NSGlobalBlock (_NSConcreteGlobalBlock)
  • NSStackBlock (_NSConcreteStackBlock)
  • NSMallocBlock (_NSConcreteMallocBlock)

Block 型別的不同，主要根據捕獲變數的不同行為產生：

Block 型別 行為
NSGlobalBlock 沒有訪問 auto 變數
NSStackBlock 訪問 auto 變數
NSMallocBlock NSStackBlock 呼叫 copy

在記憶體中的儲存位置

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

記憶體五大區：棧、堆、靜態區（BSS 段）、常量區（資料段）、程式碼段

copy 行為

不同型別的 Block 呼叫 copy 操作，也會產生不同的複製效果：

Block 型別 副本源的配置儲存域 複製效果
__NSConcreteStackBlock 棧 從棧複製到堆
__NSConcreteGlobalBlock 資料段（常量區） 什麼也不做
__NSConcreteMallocBlock 堆 引用計數增加
  • 在 ARC 環境下，編譯器會在以下情況自動將棧上的 Block 複製到堆上：
  1. Block 作為函式返回值
  2. 將 Block 賦值給 __strong 指標
  3. 蘋果 Cocoa、GCD 等 api 中方法引數是 block 型別

在 ARC 環境下，宣告的 block 屬性用 copy 或 strong 修飾的效果是一樣的，但在 MRC 環境下，則用 copy 修飾。

捕獲變數

為了保證在 Block 內部能夠正常訪問外部變數，Block 有一套變數捕獲機制：

變數型別 是否捕獲到 Block 內部 訪問方式
區域性 auto 變數 是 值傳遞
區域性 static 變數 是 指標傳遞
全域性變數 否 直接訪問

若區域性 static 變數是基礎型別 int val ，則訪問方式為 int *val 若區域性 static 變數是物件型別 JAObject *obj ，則訪問方式為 JAObject **obj

基礎型別變數

一個簡單示例：

int age = 10;
// static int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複製程式碼
  • 捕獲區域性 auto 基礎型別變數生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為:
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int age; // 傳遞值
}
複製程式碼
  • 捕獲區域性 static 基礎型別變數生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為：
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  int *age; // 傳遞指標
}
複製程式碼
  • 捕獲全域性基礎型別變數生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 age ，因為作用域為全域性，可直接訪問。

物件型別變數

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複製程式碼
  • 捕獲區域性 auto 物件型別變數生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為:
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複製程式碼
  • 捕獲區域性 static 物件型別變數生成的 Block 結構體 struct __main_block_impl_0 變為：
struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson **person;
}
複製程式碼
  • 捕獲全域性物件型別變數生成的結構體 struct __main_block_impl_0 沒有包含 person ，因為作用域為全域性，可直接訪問。

copy 和 dispose 函式

當捕獲的變數是物件型別或者使用 __Block 將變數包裝成一個 __Block_byref_變數名_0 型別的 Objective-C 物件時，會產生 copy 和 dispose 函式。

一個簡單示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"age is %d", person.age);
};
block();
複製程式碼

其中生成的 Block 的資料結構中多了 JAPerson 型別指標變數 person ：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  JAPerson *person;
}
複製程式碼

Desc 變數資料結構多了記憶體管理相關的函式：

static struct __main_block_desc_0 {
  ···
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
}
複製程式碼

這兩個函式的呼叫時機：

函式 呼叫時機
copy 棧上的 Block 複製到堆時
dispose 堆上的 Block 被廢棄時

copy 和 dispose 底層相關原始碼

// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Lose the reference, and if heap based and last reference, recover the memory
BLOCK_EXPORT void _Block_release(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);


// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);
複製程式碼

當 Block 內部訪問了物件型別的 auto 變數時：

  • 如果 Block 是在棧上，將不會對 auto 變數產生強引用。
  • 如果 Block 被拷貝到堆上，會呼叫 Block 內部的 copy 函式，copy 函式內部會呼叫 _Block_object_assign 函式，_Block_object_assign 函式會根據 auto 變數的修飾符（__strong、__weak、__unsafe_unretain）作出相應的記憶體管理操作。

注意：若此時變數型別為物件型別，這裡僅限於 ARC 時會 retain ，MRC 時不會 retain 。

  • 如果 Block 從堆上移除，會呼叫 Block 內部的 dispose 函式，dispose 函式內部會呼叫 _Block_object_dispose 函式，_Block_object_dispose 函式會自動 release 引用的 auto 變數。

使用 __weak 修飾的 OC 程式碼轉換對應的 c++ 程式碼會報錯： error: cannot create __weak reference because the current deployment target does not support weak references 此時終端命令需支援 ARC 並指定 Runtime 版本： xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

記憶體管理

修改區域性 auto 變數

區域性 static 變數（指標訪問）、全域性變數（直接訪問）都可以在 Block 內部直接修改捕獲的變數，而區域性 auto 變數則主要通過使用 __block 儲存域修飾符來修改捕獲的變數。

  • __block 修飾符可以用於解決 Block 內部無法修改區域性 auto 變數值的問題
  • __block 修飾符不能用於修飾全域性變數、靜態變數（static）

編譯器會將 __block 修飾的變數包裝成一個 Objective-C 物件。

一個簡單示例：

__block int age = 10;
void (^block)(void) = ^{
   NSLog(@"age is %d", age);
};
block();
複製程式碼

其中 Block 的資料結構多了一個 __Block_byref_age_0 型別的指標：

struct __main_block_impl_0 {
  ···
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
}
複製程式碼

__Block_byref_age_0 結構體：

struct __Block_byref_age_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_age_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int age; // age 真正儲存的地方
};
複製程式碼

兩個注意點：

    1. 此處指標 val 是指向 age 的指標，而第二個 val 指的是 age 的值。

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

    1. 原始碼裡面通過 age->__forwarding->age 的方式去取值，是因為這兩個 age 都可能仍在棧上，此時直接 age->age 訪問會有問題，而 copy 操作時 __forwarding 會指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時就算第一個 age 仍在棧上，通過 age->__forwarding 會重新指向堆上的 __Block_byref_age_0 ，此時再訪問 age 便不會有問題 age->__forwarding->age 。

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

__block 的記憶體管理

使用 __block 修飾符時的記憶體管理情況：

  • 當 Block 儲存在棧上時，並不會對 __block 變數強引用。
  • 當 Block 被 copy 到堆上時，會呼叫 Block 內部的 copy 函式，copy 函式會呼叫 __main_block_copy_0 函式對 __block 變數產生一個強引用。如下圖

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

  • 當 Block 從堆上被移除時，會呼叫 Block 內部的 dispose 函式，dispose 函式會呼叫 _Block_object_dispose 函式自動 release __block 變數。如下圖

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

__weak 和 __block 修飾時的引用情況

    1. 僅用 __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
    NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
複製程式碼

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

    1. 使用 __block __weak 修飾

一個簡單的示例：

JAPerson *person = [[JAPerson alloc] init];
person.age = 10;
__block __weak typeof(person) weakPerson = person;
void (^block)(void) = ^{
     NSLog(@"person‘s age is %d", weakPerson.age);
};
block();
return 0;
複製程式碼

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

迴圈引用

常見的迴圈引用問題：

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

ARC 環境下解決迴圈引用

    1. 弱引用持有：使用 __weak 或 __unsafe__unretain 解決

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

    1. 手動將一方置為 nil ：使用 __block 解決，在 block 內部將一方置為 nil ，因此必須執行該 block

理清 Block 底層結構及其捕獲行為

MRC 環境下解決迴圈引用

    1. 弱引用持有：使用 __unsafe__unretain 解決
    1. 直接使用 __block 解決，無需手動將一方置為 nil ，因為底層 _Block_object_assign 函式在 MRC 環境下對 block 內部的物件不會進行 retain 操作。

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