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iOS 开发：「Blocks」详尽总结 （二）底层原理

约 6002 字大约 20 分钟

技术iOS

2019-03-28

Blocks 系列第二篇，通过 clang -rewrite-objc 分析 Block 的底层实现，说明其作为 Objective-C 对象的内存布局与变量截获机制。

文中 Demo 我已放在了 Github 上，Demo 链接：传送门

iOS Blocks 02 001
iOS Blocks 02 001

1. Blocks 的实质是什么？

在 iOS 开发：「Blocks」详尽总结 （一）基本使用 中我们讲解了 Blocks 的基本使用，也知道了 Blocks 是 带有局部变量的匿名函数。但是 Block 的实质究竟是什么呢？类型？变量？还是什么黑科技？

要想了解 Block 的本质，就需要从 Block 对应的 C++ 源码来入手。

下面我们通过一步步的源码剖析来了解 Block 的本质。

1.1 Blocks 由 OC 转 C++ 源码方法

  1. 在项目中添加 blocks.m 文件，并写好 block 的相关代码。
  2. 打开「终端」，执行 cd XXX/XXX 命令，其中 XXX/XXX 为 block.m 所在的目录。
  3. 继续执行clang -rewrite-objc block.m
  4. 执行完命令之后，block.m 所在目录下就会生成一个 block.cpp 文件，这就是我们需要的 block 相关的 C++ 源码。

1.2 Blocks 源码概览

下面我们删除掉 block.m 其他无关的代码，只保留 blocks 相关的代码，可以得到如下结果。

  • 转换前 OC 代码：
int main () {
    void (^myBlock)(void) = ^{
        printf("myBlock\n");
    };

    myBlock();

    return 0;
}
  • 转换后 C++ 源码：
/* 包含 Block 实际函数指针的结构体 */
struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;               
    int Reserved;        // 今后版本升级所需的区域大小
    void *FuncPtr;      // 函数指针
};

/* Block 结构体 */
struct __main_block_impl_0 {
    // impl：Block 的实际函数指针，指向包含 Block 主体部分的 __main_block_func_0 结构体
    struct __block_impl impl;
    // Desc：Desc 指针，指向包含 Block 附加信息的 __main_block_desc_0（） 结构体
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    // __main_block_impl_0：Block 构造函数
    __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;
    }
};

/* Block 主体部分结构体 */
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("myBlock\n");
}

/* Block 附加信息结构体：包含今后版本升级所需区域大小，Block 的大小*/
static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;        // 今后版本升级所需区域大小
    size_t Block_size;    // Block 大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

/* main 函数 */
int main () {
    void (*myBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)myBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)myBlock);

    return 0;
}

下面我们一步步来拆解转换后的源码。

1.3 Block 结构体

我们先来看看 __main_block_impl_0 结构体（ Block 结构体）

/* Block 结构体 */
struct __main_block_impl_0 {
    // impl：Block 的实际函数指针，指向包含 Block 主体部分的 __main_block_func_0 结构体
    struct __block_impl impl;
    // Desc：Desc 指针，指向包含 Block 附加信息的 __main_block_desc_0（） 结构体
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    // __main_block_impl_0：Block 构造函数
    __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;
    }
};

从上边我们可以看出，__main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）包含了三个部分：

  1. 成员变量 impl;
  2. 成员变量 Desc 指针;
  3. __main_block_impl_0 构造函数。

我们先来把这几个部分剖析一下。

1.3.1 struct __block_impl impl 说明

第一部分 impl 是 __block_impl 结构体类型的成员变量。__block_impl 包含了 Block 实际函数指针 FuncPtr，FuncPtr 指针指向 Block 的主体部分，也就是 Block 对应 OC 代码中的 ^{ printf("myBlock\n"); }; 部分。还包含了标志位 Flags，今后版本升级所需的区域大小 Reserved，__block_impl 结构体的实例指针 isa。

/* 包含 Block 实际函数指针的结构体 */
struct __block_impl {
    void *isa;               // 用于保存 Block 结构体的实例指针
    int Flags;               // 标志位
    int Reserved;        // 今后版本升级所需的区域大小
    void *FuncPtr;      // 函数指针
};

1.3.2 struct __main_block_desc_0* Desc 说明

第二部分 Desc 是指向的是 __main_block_desc_0 类型的结构体的指针型成员变量，__main_block_desc_0 结构体用来描述该 Block 的相关附加信息：

  1. 今后版本升级所需区域大小： reserved 变量。
  2. Block 大小：Block_size 变量。
/* Block 附加信息结构体：包含今后版本升级所需区域大小，Block 的大小*/
static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;      // 今后版本升级所需区域大小
    size_t Block_size;  // Block 大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

1.3.3 __main_block_impl_0 构造函数说明

第三部分是 __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体） 的构造函数，负责初始化 __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体） 的成员变量。

__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;
}

关于结构体构造函数中对各个成员变量的赋值，我们需要先来看看 main() 函数中，对该构造函数的调用。

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

我们可以把上面的代码稍微转换一下，去掉不同类型之间的转换，使之简洁一点：

struct __main_block_impl_0 temp = __main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
struct __main_block_impl_0 myBlock = &temp;

这样，就容易看懂了。该代码将通过 __main_block_impl_0 构造函数，生成的 __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）类型实例的指针，赋值给 __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）类型的指针变量 myBlock。

可以看到， 调用 __main_block_impl_0 构造函数的时候，传入了两个参数。

  1. 第一个参数：__main_block_func_0。
    • 其实就是 Block 对应的主体部分，可以看到下面关于 __main_block_func_0 结构体的定义 ，和 OC 代码中 ^{ printf("myBlock\n"); }; 部分具有相同的表达式。
    • 这里参数中的 __cself 是指向 Block 的值的指针变量，相当于 OC 中的 self。
/* Block 主体部分结构体 */
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("myBlock\n");
}
  1. 第二个参数：__main_block_desc_0_DATA：__main_block_desc_0_DATA 包含该 Block 的相关信息。 我们再来结合之前的 __main_block_impl_0 结构体定义。
    • __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）可以表述为：
struct __main_block_impl_0 {
        void *isa;               // 用于保存 Block 结构体的实例指针
    int Flags;               // 标志位
    int Reserved;        // 今后版本升级所需的区域大小
    void *FuncPtr;      // 函数指针
    struct __main_block_desc_0* Desc;      // Desc：Desc 指针
};
  • __main_block_impl_0 构造函数可以表述为：
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;    // isa 保存 Block 结构体实例
impl.Flags = 0;        // 标志位赋值
impl.FuncPtr = __main_block_func_0;    // FuncPtr 保存 Block 结构体的主体部分
Desc = &__main_block_desc_0_DATA;    // Desc 保存 Block 结构体的附加信息

1.4 Block 实质总结

至此，Block 的实质就要真相大白了。

__main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）相当于 Objective-C 类对象的结构体，isa 指针保存的是所属类的结构体的实例的指针。_NSConcreteStackBlock 相当于 Block 的结构体实例。对象 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; 语句中，将 Block 结构体的指针赋值给其成员变量 isa，相当于 Block 结构体的成员变量 保存了 Block 结构体的指针，这里和 Objective-C 中的对象处理方式是一致的。

也就是说明： Block 的实质就是对象。 Block 跟其他所有的 NSObject 一样，都是对象。果不其然，万物皆对象，古人诚不欺我。

2. Block 截获局部变量和特殊区域变量

2.1 Blcok 截获局部变量的实质

回顾一下上篇文章讲解的例子：

// 使用 Blocks 截获局部变量值
- (void)useBlockInterceptLocalVariables {
    int a = 10, b = 20;

    void (^myLocalBlock)(void) = ^{
        printf("a = %d, b = %d\n",a, b);
    };

    myLocalBlock();    // 输出结果：a = 10, b = 20

    a = 20;
    b = 30;

    myLocalBlock();    // 输出结果：a = 10, b = 20
}

从中可以看到，我们在第一次调用 myLocalBlock(); 之后已经重新给变量 a、变量 b 赋值了，但是第二次调用 myLocalBlock(); 的时候，使用的还是之前对应变量的值。

这是因为 Block 语法的表达式使用的是它之前声明的局部变量 a、变量 b。Blocks 中，Block 表达式截获所使用的局部变量的值，保存了该变量的瞬时值。所以在第二次执行 Block 表达式时，即使已经改变了局部变量 a 和 b 的值，也不会影响 Block 表达式在执行时所保存的局部变量的瞬时值。 这就是 Blocks 变量截获局部变量值的特性。

可是，为什么 Blocks 变量使用的是局部变量的瞬时值，而不是局部变量的当前值呢？

我们来看一下对应的 C++ 代码：

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;
    int b;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int _b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {
        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
    int b = __cself->b; // bound by copy

    printf("a = %d, b = %d\n",a, b);
}

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 = 10, b = 20;

    void (*myLocalBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, b));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)myLocalBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)myLocalBlock);

    a = 20;
    b = 30;

    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)myLocalBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)myLocalBlock);
}
  1. 可以看到 __main_block_impl_0 结构体（Block 结构体）中多了两个成员变量 a 和 b，这两个变量就是 Block 截获的局部变量。 a 和 b 的值来自与 __main_block_impl_0 构造函数中传入的值。
struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;    // 增加的成员变量 a
    int b;    // 增加的成员变量 b
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int _b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {    
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
  1. 还可以看出 __main_block_func_0（保存 Block 主体部分的结构体）中，变量 a、b 的值使用的 __cself 获取的值。 而 __cself->a、__cself->b 是通过值传递的方式传入进来的，而不是通过指针传递。这也就说明了 a、b 只是 Block 内部的变量，改变 Block 外部的局部变量值，并不能改变 Block 内部的变量值。
 static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 int a = __cself->a; // bound by copy
 int b = __cself->b; // bound by copy
 printf("a = %d, b = %d\n",a, b);
 }

那么来总结一下：

在定义 Block 表达式的时候，局部变量使用「值传递」的方式传入 Block 结构体中，并保存为 Block 的成员变量。

而当外部局部变量发生变化的时候，Block 结构体内部对应的的成员变量的值并没有发生改变，所以无论调用几次，Block 表达式结果都没有发生改变。

如果在 Block 主体部分对外部局部变量进行修改呢？类似下面这样，是不是就可以将截获的外部局部变量修改了？

int a = 10, b = 20;

void (^myLocalBlock)(void) = ^{
 a = 20;
 b = 30;

 printf("a = %d, b = %d\n",a, b);
};

myLocalBlock();

很遗憾，编译直接报错了。

iOS Blocks 02 002
iOS Blocks 02 002

这种方式也走不通。

由此我们暂时可以得出一个结论：

被截获的自动变量的值是无法直接修改的。

可是，凭啥不能改变？如果我们非要改变呢，该咋整？

有一个办法，可以通过 __block 说明符修饰局部变量。

2.2 使用 __block 说明符更改局部变量值

// 使用 __block 说明符修饰，更改局部变量值
- (void)useBlockQualifierChangeLocalVariables {
 __block int a = 10, b = 20;

 void (^myLocalBlock)(void) = ^{
 a = 20;
 b = 30;

 printf("a = %d, b = %d\n",a, b); // 输出结果：a = 20, b = 30
 };

 myLocalBlock();
}

从中我们可以发现：通过 __block 修饰的局部变量，可以在 Block 的主体部分中改变值。

我们来转换下源码，分析一下：

struct __Block_byref_a_0 {
 void *__isa;
 __Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

struct __Block_byref_b_1 {
 void *__isa;
 __Block_byref_b_1 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int b;
};

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 __Block_byref_a_0 *a; // by ref
 __Block_byref_b_1 *b; // by ref
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, __Block_byref_b_1 *_b, int flags=0) : a(_a->__forwarding), b(_b->__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_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref
 __Block_byref_b_1 *b = __cself->b; // bound by ref

 (a->__forwarding->a) = 20;
 (b->__forwarding->b) = 30;

 printf("a = %d, b = %d\n",(a->__forwarding->a), (b->__forwarding->b));
}

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);_Block_object_assign((void*)&dst->b, (void*)src->b, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);_Block_object_dispose((void*)src->b, 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_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0), 10};
 __Block_byref_b_1 b = {(void*)0,(__Block_byref_b_1 *)&b, 0, sizeof(__Block_byref_b_1), 20};

 void (*myLocalBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, (__Block_byref_b_1 *)&b, 570425344));
 ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)myLocalBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)myLocalBlock);

 return 0;
}

可以看到，只是加上了一个 __block，代码量就增加了很多。

我们从 __main_block_impl_0 开始说起：

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 __Block_byref_a_0 *a; // by ref
 __Block_byref_b_1 *b; // by ref
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, __Block_byref_b_1 *_b, int flags=0) : a(_a->__forwarding), b(_b->__forwarding) {
 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
 impl.Flags = flags;
 impl.FuncPtr = fp;
 Desc = desc;
 }
};

我们在 __main_block_impl_0 结构体中可以看到： 原 OC 代码中，被 __block 修饰的局部变量 __block int a、__block int b 分别变成了 __Block_byref_a_0、__Block_byref_b_1 类型的结构体指针 a、结构体指针 b。这里使用结构体指针 a 、结构体指针 b 说明 _Block_byref_a_0、__Block_byref_b_1 类型的结构体并不在 __main_block_impl_0 结构体中，而只是通过指针的形式引用，这是为了可以在多个不同的 Block 中使用 __block 修饰的变量。

__Block_byref_a_0、__Block_byref_b_1 类型的结构体声明如下：


struct __Block_byref_a_0 {
 void *__isa;
 __Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

struct __Block_byref_b_1 {
 void *__isa;
 __Block_byref_b_1 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int b;
};

拿第一个 __Block_byref_a_0 结构体定义来说明，__Block_byref_a_0 有 5 个部分：

  1. __isa：标识对象类的 isa 实例变量
  2. __forwarding：传入变量的地址
  3. __flags：标志位
  4. __size：结构体大小
  5. a：存放实变量 a 实际的值，相当于原局部变量的成员变量（和之前不加 __block 修饰符的时候一致）。

再来看一下 main() 函数中，__block int a、__block int b 的赋值情况。

顺便把代码整理一下，使之简易一点：

__Block_byref_a_0 a = {
 (void*)0,
 (__Block_byref_a_0 *)&a, 
 0, 
 sizeof(__Block_byref_a_0), 
 10
};

__Block_byref_b_1 b = {
 0,
 &b, 
 0, 
 sizeof(__Block_byref_b_1), 
 20
};

还是拿第一个 __Block_byref_a_0 a 的赋值来说明。

可以看到 __isa 指针值传空，__forwarding 指向了局部变量 a 本身的地址，__flags 分配了 0，__size 为结构体的大小，a 赋值为 10。下图用来说明 __forwarding 指针的指向情况。

iOS Blocks 02 003
iOS Blocks 02 003

这下，我们知道 __forwarding 其实就是局部变量 a 本身的地址，那么我们就可以通过 __forwarding 指针来访问局部变量，同时也能对其进行修改了。

来看一下 Block 主体部分对应的 __main_block_func_0 结构体来验证一下。

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref
 __Block_byref_b_1 *b = __cself->b; // bound by ref

 (a->__forwarding->a) = 20;
 (b->__forwarding->b) = 30;

 printf("a = %d, b = %d\n",(a->__forwarding->a), (b->__forwarding->b));
}

可以看到 (a->__forwarding->a) = 20; 和 (b->__forwarding->b) = 30; 是通过指针取值的方式来改变了局部变量的值。这也就解释了通过 __block 来修饰的变量，在 Block 的主体部分中改变值的原理其实是：通过「指针传递」的方式。

2.3 更改特殊区域变量值

除了通过 __block 说明符修饰的这种方式修改局部变量的值之外，还有一些特殊区域的变量，我们也可以在 Block 的内部将其修改。

这些特殊区域的变量包括：静态局部变量、静态全局变量、全局变量。

我们还是通过 OC 代码和 C++ 源码来说明一下：

  • OC 代码：
int global_val = 10; // 全局变量
static int static_global_val = 20; // 静态全局变量

int main() {
 static int static_val = 30; // 静态局部变量

 void (^myLocalBlock)(void) = ^{
 global_val *= 1;
 static_global_val *= 2;
 static_val *= 3;

 printf("static_val = %d, static_global_val = %d, global_val = %d\n",static_val, static_global_val, static_val);
 };

 myLocalBlock();

 return 0;
}
  • C++ 代码：
int global_val = 10;
static int static_global_val = 20;

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 int *static_val;
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_static_val, int flags=0) : static_val(_static_val) {
 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
 impl.Flags = flags;
 impl.FuncPtr = fp;
 Desc = desc;
 }
};

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 int *static_val = __cself->static_val; // bound by copy
 global_val *= 1;
 static_global_val *= 2;
 (*static_val) *= 3;

 printf("static_val = %d, static_global_val = %d, global_val = %d\n",(*static_val), static_global_val, (*static_val));
}

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() {
 static int static_val = 30;

 void (*myLocalBlock)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, &static_val));
 ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)myLocalBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)myLocalBlock);

 return 0;

}

从中可以看到：

在 __main_block_impl_0 结构体中，将静态局部变量 static_val 以指针的形式添加为成员变量，而静态全局变量 static_global_val、全局变量 global_val 并没有添加为成员变量。

int global_val = 10;
static int static_global_val = 20;

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 int *static_val;
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int *_static_val, int flags=0) : static_val(_static_val) {
 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
 impl.Flags = flags;
 impl.FuncPtr = fp;
 Desc = desc;
 }
};

再来看一下 Block 主体部分对应的 __main_block_func_0 结构体部分。静态全局变量 static_global_val、全局变量 global_val 是直接访问的，而静态局部变量 static_val 则是通过「指针传递」的方式进行访问和赋值。

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 int *static_val = __cself->static_val; // bound by copy
 global_val *= 1;
 static_global_val *= 2;
 (*static_val) *= 3;

 printf("static_val = %d, static_global_val = %d, global_val = %d\n",(*static_val), static_global_val, (*static_val));
}

3. Block 的存储区域

通过之前对 Block 本质的探索，我们知道了 Block 的本质是 Objective-C 对象。通过上述代码中 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;，可以知道该 Block 的类名为 NSConcreteStackBlock，根据名称可以看出，该 Block 是存于栈区中的。而与之相关的，还有 _NSConcreteGlobalBlock、_NSConcreteMallocBlock。

3.1 _NSConcreteGlobalBlock

在以下两种情况下使用 Block 的时候，Block 为 NSConcreteGlobalBlock 类对象。

  1. 记述全局变量的地方，使用 Block 语法时；
  2. Block 语法的表达式中没有截获的自动变量时。

NSConcreteGlobalBlock 类的 Block 存储在「程序的数据区域」。因为存放在程序的数据区域，所以即使在变量的作用域外，也可以通过指针安全的使用。

  • 记述全局变量的地方，使用 Block 语法示例代码：
void (^myGlobalBlock)(void) = ^{
 printf("GlobalBlock\n");
};

int main() {
 myGlobalBlock();

 return 0;
}

通过对应 C++ 源码，我们可以发现：Block 结构体的成员变量 isa 赋值为：impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;，说明该 Block 为 NSConcreteGlobalBlock 类对象。

3.2 _NSConcreteStackBlock

除了 3.1 _NSConcreteGlobalBlock 中提到的两种情形，其他情形下创建的 Block 都是 NSConcreteStackBlock 对象，平常接触的 Block 大多属于 NSConcreteStackBlock 对象。

NSConcreteStackBlock 类的 Block 存储在「栈区」的。如果其所属的变量作用域结束，则该 Block 就会被废弃。如果 Block 使用了 __block 变量，则当 __block 变量的作用域结束，则 __block 变量同样被废弃。

iOS Blocks 02 004
iOS Blocks 02 004

3.3 _NSConcreteMallocBlock

为了解决栈区上的 Block 在变量作用域结束被废弃这一问题，Block 提供了 「复制」 功能。可以将 Block 对象和 __block 变量从栈区复制到堆区上。当 Block 从栈区复制到堆区后，即使栈区上的变量作用域结束时，堆区上的 Block 和 __block 变量仍然可以继续存在，也可以继续使用。

iOS Blocks 02 005
iOS Blocks 02 005

此时，「堆区」上的 Block 为 NSConcreteMallocBlock 对象，Block 结构体的成员变量 isa 赋值为：impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;

那么，什么时候才会将 Block 从栈区复制到堆区呢？

这就涉及到了 Block 的自动拷贝和手动拷贝。

3.4 Block 的自动拷贝和手动拷贝

3.4.1 Block 的自动拷贝

在使用 ARC 时，大多数情形下编译器会自动进行判断，自动生成将 Block 从栈上复制到堆上的代码：

  1. 将 Block 作为函数返回值返回时，会自动拷贝；
  2. 向方法或函数的参数中传递 Block 时，使用以下两种方法的情况下，会进行自动拷贝，否则就需要手动拷贝：
    1. Cocoa 框架的方法且方法名中含有 usingBlock 等时；
    2. Grand Central Dispatch（GCD） 的 API。

3.4.2 Block 的手动拷贝

我们可以通过「copy 实例方法（即 alloc / new / copy / mutableCopy）」来对 Block 进行手动拷贝。当我们不确定 Block 是否会被遗弃，需不需要拷贝的时候，直接使用 copy 实例方法即可，不会引起任何的问题。

关于 Block 不同类的拷贝效果总结如下：

Block 类存储区域拷贝效果
_NSConcreteStackBlock栈区从栈拷贝到堆
_NSConcreteGlobalBlock程序的数据区域不做改变
_NSConcreteMallocBlock堆区引用计数增加

3.5 __block 变量的拷贝

在使用 __block 变量的 Block 从栈复制到堆上时，__block 变量也会受到如下影响：

__block 变量的配置存储区域Block 从栈复制到堆时的影响
堆区从栈复制到堆，并被 Block 所持有
栈区被 Block 所持有

当然，如果不再有 Block 引用该 __block 变量，那么 __block 变量也会被废除。

4. Block 的循环引用

从上文 2. Block 截获局部变量和特殊区域变量 中我们知道 Block 会对引用的局部变量进行持有。同样，如果 Block 也会对引用的对象进行持有（引用计数 + 1），从而会导致相互持有，引起循环引用。

/* —————— retainCycleBlcok.m —————— */ 
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"

int main() {
 Person *person = [[Person alloc] init];
 person.blk = ^{
 NSLog(@"%@",person);
 };

 return 0;
}


/* —————— Person.h —————— */ 
#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^myBlock)(void);

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) myBlock blk;
@end


/* —————— Person.m —————— */ 
#import "Person.h"

@implementation Person 

@end

我们将 retainCycleBlcok.m 转换为 C++ 代码来看一下：

节选部分 C++ 代码：

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 Person *person;
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, Person *_person, int flags=0) : person(_person) {
 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
 impl.Flags = flags;
 impl.FuncPtr = fp;
 Desc = desc;
 }
};

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 Person *person = __cself->person; // bound by copy

 NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_ct_0dyw1pvj6k16t5z8t0j0_ghw0000gn_T_retainCycleBlcok_8957e0_mi_0,person);
}

可以看到 __main_block_impl_0 结构体中增加了成员变量 person，同时 __main_block_func_0 结构体中也使用了 __cself->person。

这样就导致了：person 持有成员变量 myBlock blk，而 blk 也同时持有成员变量 person，就造成了循环引用问题。

那么，如何来解决这个问题呢？

4.1 ARC 下，通过 __weak 修饰符来消除循环引用

在 ARC 下，可声明附有 __weak 修饰符的变量，并将对象赋值使用。

int main() {
 Person *person = [[Person alloc] init];
 __weak typeof(person) weakPerson = person;

 person.blk = ^{
 NSLog(@"%@",weakPerson);
 };

 return 0;
}

这样就可以解决循环引用的问题。我们再来转换为 C++ 代码来看看。

这里需要改下转换 C++ 指令，因为使用原指令会报错：error: cannot create __weak reference because the current deployment target does not support weak references

这里需要使用 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -stdlib=libc++ -mmacosx-version-min=10.7 -fobjc-runtime=macosx-10.7 -Wno-deprecated-declarations retainCycleBlcok.m 命令来转换。

参考链接：How to use __weak reference in clang?

使用 __weak 修饰后的 Block 示例代码中，节选的部分 C++ 代码：

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 Person *__weak weakPerson;
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, Person *__weak _weakPerson, int flags=0) : weakPerson(_weakPerson) {
 impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
 impl.Flags = flags;
 impl.FuncPtr = fp;
 Desc = desc;
 }
};

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 Person *__weak weakPerson = __cself->weakPerson; // bound by copy

 NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_ct_0dyw1pvj6k16t5z8t0j0_ghw0000gn_T_retainCycleBlcok_447367_mi_0,weakPerson);
}

可以看到，__main_block_impl_0 使用过了 __weak 对成员变量 person 进行弱引用。

这样，person 持有成员变量 myBlock blk，而 blk 对 person 进行弱引用，从而就消除了循环引用。

4.2 MRC 下，通过 __block 修饰符来消除循环引用

MRC 下，是不支持 __weak 修饰符的。我们可以通过 __block 来消除循环引用。

int main() {
 Person *person = [[Person alloc] init];
 __block typeof(person) blockPerson = person;

 person.blk = ^{
 NSLog(@"%@", blockPerson);
 };

 return 0;
}

使用 clang -rewrite-objc -fno-objc-arc -stdlib=libc++ -mmacosx-version-min=10.7 -fobjc-runtime=macosx-10.7 -Wno-deprecated-declarations retainCycleBlcok.m 命令来转换为 C++ 代码。

使用 __block 修饰后的 Block 示例代码中，节选的部分 C++ 代码：

struct __main_block_impl_0 {
 struct __block_impl impl;
 struct __main_block_desc_0* Desc;
 __Block_byref_blockPerson_0 *blockPerson; // by ref
 __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_blockPerson_0 *_blockPerson, int flags=0) : blockPerson(_blockPerson->__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_blockPerson_0 *blockPerson = __cself->blockPerson; // bound by ref

 NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_ct_0dyw1pvj6k16t5z8t0j0_ghw0000gn_T_retainCycleBlcok_536cd4_mi_0,(blockPerson->__forwarding->blockPerson));
}

可以看到，通过 __block 引用的 blockPerson，生成了 __Block_byref_blockPerson_0 结构体指针。这里通过指针的方式来访问 person，而没有对 person 进行强引用，所以不会造成循环引用。

参考资料

至此，Blocks 相关内容已经全部总结完毕，前前后后大概花费了差不多三周的时间。原本只是想简单写一下 Blocks 的基本应用，写着写着就去翻了下 「Objective-C 高级编程 iOS 与 OS X 多线程和内存管理 」中关于 Block 的篇章。也借鉴了大佬关于这本书中对于 Blocks 的理解。然后就有了这篇关于 Blocks 的底层原理部分。

希望大家能够喜欢。

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