淺析Block閉包

Solist發表於2020-05-20
BloC

淺析Block閉包

簡單來說，block就是將函式及其上下文封裝起來的物件，從功能上可以把它看作是C++中的匿名函式，也可稱之為塊。

Block型別寫法：

返回值+（^塊名）+（引數）= ^（引數）{ 內容 }

如下所示:

int (^myBlock)(int a, int b) = ^(int a, int b){
    return a + b;
};

Block結構

Block儲存區域

Block本質上也是OC物件，所以每個Block物件也有isa指標指向它們的類物件。根據Block類物件儲存的記憶體空間的不同可分為三種不同的類，分別是：

位於全域性區的Block類：__NSGlobalBlock__

位於棧區的Block類：__NSStackBlock__

位於堆區的Block類：__NSMallocBlock__

  • 全域性區Block：當Block不捕獲外部變數時，會被編譯器分配到全域性區。因為無外部變數，所以執行時不會在Block內部進行copy或dispose操作，為了削減開銷，所以在編譯時就確定了大小，即儲存在全域性區。如下：
void (^myBlock)(void)=^(void){
    NSLog(@"global");
};
NSLog(@"%@",[myBlock class]);

//輸出：
//__NSGlobalBlock__

  • 棧區Block：當Block捕獲了外部變數後，會被分配到棧區。但是在ARC環境下，系統會自動為生成的棧區Block進行copy操作，所以為了驗證是否是在棧區，需要採用MRC環境，在main.m檔案的編譯選項設定為： -fno-objc-arc後執行如下程式碼：

    NSString* flag=@"yes";
void (^myBlock)(void)=^(void){
    NSLog(@"stack:%@",flag);
};
NSLog(@"%@",[myBlock class]);

//輸出：
//__NSStackBlock__

  • 堆區Block：在MRC模式下，用copy後，會將棧區block複製到堆區。在ARC模式下，系統自動將初始化的Block複製到堆區。

    //MRC環境下：
NSString* flag=@"yes";
void (^myBlock)(void)=[^(void){
    NSLog(@"stack:%@",flag);
} copy];
NSLog(@"%@",[myBlock class]);

//輸出：
//__NSMallocBlock__

Block內部結構

官方的Block定義在 Block_private.h中，具體的原始碼：Block_private.h

#define BLOCK_DESCRIPTOR_1 1
struct Block_descriptor_1 {
    uintptr_t reserved;
    uintptr_t size;
};

#define BLOCK_DESCRIPTOR_2 1
struct Block_descriptor_2 {
    // requires BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE
    void (*copy)(void *dst, const void *src);
    void (*dispose)(const void *);
};

#define BLOCK_DESCRIPTOR_3 1
struct Block_descriptor_3 {
    // requires BLOCK_HAS_SIGNATURE
    const char *signature;
    const char *layout;     // contents depend on BLOCK_HAS_EXTENDED_LAYOUT
};

//Block結構
struct Block_layout {
    void *isa;
    volatile int32_t flags; // contains ref count
    int32_t reserved; 
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor_1 *descriptor;
    // imported variables
};
  • isa指標：指向類物件的指標，即根據不同分割槽指向： __NSGlobalBlock__、 __NSStackBlock__和 __NSMallocBlock__，但是這裡的底層isa實際上指向的是父類的結構體（C語言）即：_NSConcreteGlobalBlock、 _NSConcreteStackBlock和 _NSConcreteMallocBlock結構體，但意義是一樣的。
  • flags：型別為列舉，主要用來儲存Block的狀態資訊。
  • reserved：為之後開發準備的保留資訊，暫時無用。
  • invoke：函式指標，指向的是實際的功能執行函式。在invoke函式的引數中還包含了Block結構體本身，這麼做的目的是在執行時，可以從記憶體中獲取block中捕獲的變數。
  • descriptor：主要儲存Block的附加資訊，其中包括佔址大小、簽名等。預設指向Block_descriptor_1結構體，當Block被copy到堆上時，則會新增Block_descriptor_2和Block_descriptor_3，新增copy和dispose方法用來拷貝和銷燬捕獲的變數。

Block內部結構圖（來自於Effective-OC）：

Block作用

在日常的開發中，使用Block的主要用處在以下兩個方面：

  1. 作為回撥的方式之一，對比於代理模式，Block可將將分散的程式碼塊集中寫在一處編寫。因為有捕獲變數的機制，所以可以很輕鬆的訪問上下文，並且Block的程式碼是內聯的，執行效率會更高。

  2. 正是因為有了以上的優勢，所以在編寫非同步程式碼，作為非同步處理回撥時，在封裝時往往會採用handler塊的方式來編寫相關程式碼。

    在編寫handler塊時有兩種策略，一種是在一個方法中提供提供兩個Block塊分別處理CompletionHandler和errorHandler，另外一種是隻提供一個Block塊，在Block塊中提供error引數，使用者自己來對error值進行判斷。一般我們更傾向於後者的方式，因為這樣處理資料會更加靈活

兩種Handler風格如下：

Downloader *myDownloader = [[Downloader alloc] initWithURL:url];
[myDownloader downloadWithCompletionHandler:^(NSData *onlineData){
  //download success
}
failureHandler:^(NSError *error){
  //handle error
}];

Downloader *myDownloader = [[Downloader alloc] initWithURL:url];
[myDownloader downloadWithBlock:^(NSData *onlineData, NSError * _Nullable error, BOOL succeeded){
  if(succeeded){
    //download success
  }
  else{
    //handle error
  }
}];

Block記憶體洩漏

當幾個oc物件互相強引用成環時，就會導致物件永遠都不會被釋放，當這些物件的數量很大時，就會造成記憶體洩漏，從而導致整個系統crash的風險。

舉個例子：

當A類物件強引用了B類物件，B類物件強引用了C類物件，而C物件又強引用了A類物件。假設它們都在一個程式碼段中。如下圖所示：

因為a、b、c都被該程式碼段所強引用，所以retainCount初始化都為1，又因為它們互相強引用，所以在連成環的時候retainCount都變為了2。這時候在程式碼段中，無論是哪一個物件先從程式碼段中釋放，即retainCount--，都仍然還剩1。當整個程式碼段執行完後，三個類物件a、b、c的retainCount都從2減為了1，在整個系統中，再也沒有其他影響因素會讓它們的retainCount減少為0，這樣就會導致這三個物件在執行中永不釋放，從而造成記憶體洩漏。

在使用Block時也會很容易造成這個現象，當在網路非同步的handler塊中，我們通常會將當前ViewController中的某個網路資料屬性捕獲到handler中，在網路連線成功後將其進行賦值，這樣就相當於Block塊間接地強引用了當前VC，而通常來說，VC肯定會強引用下載器，而下載器中的Block塊一般也會做為其屬性進行強引用。如下圖所示：

為了解決強引用環的問題，可以通過將任意一個連線處斷開即可。

  • 斷開1:基本不可能，在開發中在ViewController或者時ViewModel中都會將下載器作為屬性而非臨時變數，因為在調取過程中會一般會根據當前下載狀態來進行下一步操作。

  • 斷開2:

    方法一：不將_downloadHandler作為屬性，而是使用臨時Block變數，通常這麼做的情況是因為下載器類不需要多次使用該block，對於複雜的下載器，這種策略很難得以保證。

    方法二：（推薦）在下載操作結束後呼叫的方法中令 self.downloadHandler = nil，只要下載請求執行完畢，_downloadHandler屬性就不再強引用該block，就打破了強引用環。

  • 斷開3：

    方法一：因為Block強引用了VC的data屬性，實際上也就強引用了VC（self），所以我們可以通過： __weak typeof(self) weakSelf=self將當前VC，即self弱引用化，生成一個名為weakSelf的當前vc物件，然後在block中使用 weakSelf.data=_data來進行呼叫。

    方法二：方法一中大部分情況不會出現問題，但是當block塊中有延時操作，而對_data的處理也在延時操作當中時，就會出現問題了，例如：

    [self.myDownloader downloadWithBlock:^(NSData *onlineData, NSError * _Nullable error, BOOL succeeded){
  if(succeeded){
    //download success
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        //延遲2s獲取data資料
        weakSelf.data = onlineData;
        NSLog(@"%@",weakSelf.data);
    });
  }
  else{
    //handle error
  }
}];

//假設成功從網路上獲取到data
//列印為空

    這時候就會發現，無論是weakSelf還是self的data屬性都為空。這就是因為在block執行完後（延時函式還未執行完），weakSelf所在的弱引用表已經被除名了，雖然延時函式還在執行。這時候當2s過後，weakSelf已經變為了nil，對nil傳送getter訊息也不會報錯，所以這裡就會出現取值為空的情況。

    為了解決這一問題，只需要在block內再將weakSelf在程式碼段內部強引用化（該強引用僅限於Block內部）。例如：

    [self.myDownloader downloadWithBlock:^(NSData *onlineData, NSError * _Nullable error, BOOL succeeded){
  if(succeeded){
    //download success
    //將weakSelf強引用化生成該程式碼段的strong變數
    __strong typeof(self) strongSelf=weakSelf;
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        //延遲2s獲取data資料
        //這裡使用strongSelf臨時變數
        strongSelf.data = onlineData;
        NSLog(@"%@",strongSelf.data);
    });
  }
  else{
    //handle error
  }
}];

    這裡的strongSelf屬於臨時變數，會加到該程式碼段（Block內）的autoreleasepool當中，當該處程式碼段結束時會自動釋放掉，所以也就不會出現強引用情況。

    方法三：使用臨時變數充當當前VC（self）,如下：

    __block XXXViewController* vc = self;  //這裡self的retainCount會+1
[self.myDownloader downloadWithBlock:^(NSData *onlineData, NSError * _Nullable error, BOOL succeeded){
  if(succeeded){
    //download success
    vc.data = onlineData;
    //這裡需要注意將該臨時變數置為nil，即將retainCount重新減為1
    vc=nil;
  }
  else{
    //handle error
  }
}];

    這裡需要注意在賦完值後必須將該臨時變數重新置為nil，即將retainCount減1，否則仍會出現強引用的問題。

    方法四：將當前self作為block引數傳入，例如：

    [self.myDownloader downloadWithBlock:^(NSData *onlineData, NSError * _Nullable error, BOOL succeeded, XXXViewController* vc){
  if(succeeded){
    //download success
    vc.data = onlineData;
  }
  else{
    //handle error
  }
}];

    這種情況一般很少出現，因為下載器通常作為第三方提供的API，通常引數不會有當前控制類。所以這種情況只能用在自定義block當中使用。

總結

  • 在ARC環境下開發，我們用到的一般都是堆Block或全域性Block，當捕獲外界變數時為堆Block，否則為全域性Block
  • Block主要用於程式碼回撥以及非同步操作以降低程式碼分散程度。
  • Block在捕獲變數時很容易造成迴圈引用，導致記憶體洩漏。在不確定呼叫第三方API是否在最後將block屬性置為空，或者沒有使用屬性而是臨時變數作為呼叫block，所以在不破環封裝性的原則下，將其視為未處理，然後在自己的程式碼中使用waekSelf和strongSelf方式來進行當前self的屬性進行操作，這樣就實現了在環節[3]中打破強引用環。

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