Block原理，为什么block能捕获变量 -- 实战篇

编程语言 2019-01-21 20:56:47 阅读次数: 0

书接上文 : block的原理篇 : https://blog.csdn.net/u014600626/article/details/78697535

__block实现原理

我们继续研究一下__block实现原理。

__block修饰非对象的变量

先来看看普通变量的情况。

#import <Foundation/Foundation.h>
 
int main(int argc, const char * argv[]) {
 
    __block int i = 0;
 
    void (^myBlock)(void) = ^{
        i ++;
        NSLog(@"%d",i);
    };
 
    myBlock();
 
    return 0;
}


把上述代码用clang转换成源码。

// 加了__block后 i被封装成一个对象(结构体)
struct __Block_byref_i_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_i_0 *__forwarding; //
 int __flags;
 int __size;
 int i; // 真实的i的值
};
 
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_i_0 *i; // block持有这个结构体
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__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_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref
 
        (i->__forwarding->i) ++;
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_45_k1d9q7c52vz50wz1683_hk9r0000gn_T_main_3b0837_mi_0,(i->__forwarding->i));
}


从源码我们能发现，带有 __block的变量也被转化成了一个结构体__Block_byref_i_0,这个结构体有5个成员变量。第一个是isa指针，第二个是指向自身类型的__forwarding指针，第三个是一个标记flag，第四个是它的大小，第五个是变量值，名字和变量名同名。


至此，__block的实现原理也已经明了。__block将变量包装成对象，然后在把捕获到的变量封装在block的结构体里面，block内部存储的变量为结构体指针，也就可以通过指针找到内存地址进而修改变量的值。

由此在引出来一个问题 :  __block修饰的变量在编译时会被封装为结构体，那么当在外部使用同一个变量的时候，使用的是int age呢？还是__Block_byref_age_0结构体内的age->__forwarding->age变量呢？

为了验证上述问题
同样使用自定义结构体的方式来查看其内部结构

typedef void (^Block)(void);

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

struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
    void (*copy)(void);
    void (*dispose)(void);
};

struct __Block_byref_age_0 {
    void *__isa;
    struct __Block_byref_age_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    int age;
};
struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    struct __Block_byref_age_0 *age; // by ref
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block int age = 10;
        Block block = ^{
            age = 20;
            NSLog(@"age is %d",age);
        };
        block();
        struct __main_block_impl_0 *blockImpl = (__bridge struct __main_block_impl_0 *)block;
        NSLog(@"%p",&age);
    }
    return 0;
}

打印断点查看结构体内部结构

_Block_byref_age_0结构体

通过查看blockImpl结构体其中的内容，找到age结构体，其中重点观察两个元素：

  1. __forwarding其中存储的地址确实是age结构体变量自己的地址
  2. age中存储这修改后的变量20。

上面也提到过，在block中使用或修改age的时候都是通过结构体__Block_byref_age_0找到__forwarding在找到变量age的。

另外apple为了隐藏__Block_byref_age_0结构体的实现，打印age变量的地址发现其实是__Block_byref_age_0结构体内age变量的地址。

通过上图的计算可以发现打印age的地址同__Block_byref_age_0结构体内age值的地址相同。也就是说外面使用的age，就是结构体内的age。

__block修饰对象类型

那么如果变量本身就是对象类型呢？通过以下代码生成c++源码查看

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block Person *person = [[Person alloc] init];
        NSLog(@"%@",person);
        Block block = ^{
            person = [[Person alloc] init];
            NSLog(@"%@",person);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

通过源码查看，将对象包装在一个新的结构体中。结构体内部会有一个person对象，不一样的地方是结构体内部添加了内存管理的两个函数__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose . 下面就说说__block的内存管理

__block内存管理

上文提到当block中捕获对象类型的变量时，block中的__main_block_desc_0结构体内部会自动添加copy和dispose函数对捕获的变量进行内存管理。

那么同样的当block内部捕获__block修饰的对象类型的变量时，__Block_byref_person_0结构体内部也会自动添加__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose对被__block包装成结构体的对象进行内存管理。

当block内存在栈上时，并不会对__block变量产生内存管理。当blcok被copy到堆上时
会调用block内部的copy函数，copy函数内部会调用_Block_object_assign函数，_Block_object_assign函数会对__block变量形成强引用（相当于retain）

首先通过一张图看一下block复制到堆上时内存变化

__block copy内存管理

当block被copy到堆上时，block内部引用的__block变量也会被复制到堆上，并且持有变量，如果block复制到堆上的同时，__block变量已经存在堆上了，则不会复制。

当block从堆中移除的话，就会调用dispose函数，也就是__main_block_dispose_0函数，__main_block_dispose_0函数内部会调用_Block_object_dispose函数，会自动释放引用的__block变量。

__block 释放内存管理

block内部决定什么时候将变量复制到堆中，什么时候对变量做引用计数的操作。

__block修饰的变量在block结构体中一直都是强引用，而其他类型的是由传入的对象指针类型决定。

一段代码更深入的观察一下。

首先需要说明的一点是对象在OC中，默认声明自带__strong所有权修饰符的 . 
在转换出来的源码中，我们也可以看到，Block捕获了__block，并且强引用了，因为在__Block_byref_person_1结构体中，有一个变量是 Person *__strong person; ，这个默认也是带__strong所有权修饰符的。

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int number = 20;
        __block int age = 10;
        
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        __weak NSObject *weakObj = object;
        
        Person *p = [[Person alloc] init];
        __block Person *person = p;
        __block __weak Person *weakPerson = p;
        
        Block block = ^ {
            NSLog(@"%d",number); // 局部变量
            NSLog(@"%d",age); // __block修饰的局部变量
            NSLog(@"%p",object); // 对象类型的局部变量
            NSLog(@"%p",weakObj); // __weak修饰的对象类型的局部变量
            NSLog(@"%p",person); // __block修饰的对象类型的局部变量
            NSLog(@"%p",weakPerson); // __block，__weak修饰的对象类型的局部变量
        };
        block();
    }
    return 0;
}

将上述代码转化为c++代码查看不同变量之间的区别

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  
  int number;
  NSObject *__strong object;
  NSObject *__weak weakObj;
  __Block_byref_age_0 *age; // by ref
  __Block_byref_person_1 *person; // by ref
  __Block_byref_weakPerson_2 *weakPerson; // by ref
  
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _number, NSObject *__strong _object, NSObject *__weak _weakObj, __Block_byref_age_0 *_age, __Block_byref_person_1 *_person, __Block_byref_weakPerson_2 *_weakPerson, int flags=0) : number(_number), object(_object), weakObj(_weakObj), age(_age->__forwarding), person(_person->__forwarding), weakPerson(_weakPerson->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

上述__main_block_impl_0结构体中看出，没有使用__block修饰的变量（object 和 weadObj）则根据他们本身被block捕获的指针类型对他们进行强引用或弱引用，而一旦使用__block修饰的变量，__main_block_impl_0结构体内一律使用强指针引用生成的结构体。

接着我们来看__block修饰的变量生成的结构体有什么不同

struct __Block_byref_age_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_age_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int age;
};

struct __Block_byref_person_1 {
  void *__isa;
__Block_byref_person_1 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 Person *__strong person;
};

struct __Block_byref_weakPerson_2 {
  void *__isa;
__Block_byref_weakPerson_2 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 Person *__weak weakPerson;
};

如上面分析的那样，__block修饰对象类型的变量生成的结构体内部多了__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose两个函数，用来对对象类型的变量进行内存管理的操作。而结构体对对象的引用类型，则取决于block捕获的对象类型的变量。weakPerson是弱指针，所以__Block_byref_weakPerson_2对weakPerson就是弱引用，person是强指针，所以__Block_byref_person_1对person就是强引用。

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {
    _Block_object_assign((void*)&dst->age, (void*)src->age, 8);
    _Block_object_assign((void*)&dst->object, (void*)src->object, 3);
    _Block_object_assign((void*)&dst->weakObj, (void*)src->weakObj, 3);
    _Block_object_assign((void*)&dst->person, (void*)src->person, 8);
    _Block_object_assign((void*)&dst->weakPerson, (void*)src->weakPerson, 8);
}

__main_block_copy_0函数中会根据变量是强弱指针及有没有被__block修饰做出不同的处理，强指针在block内部产生强引用，弱指针在block内部产生弱引用。被__block修饰的变量最后的参数传入的是8，没有被__block修饰的变量最后的参数传入的是3。

当block从堆中移除时通过dispose函数来释放他们。

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {
    _Block_object_dispose((void*)src->age, 8);
    _Block_object_dispose((void*)src->object, 3);
    _Block_object_dispose((void*)src->weakObj, 3);
    _Block_object_dispose((void*)src->person, 8);
    _Block_object_dispose((void*)src->weakPerson, 8);
    
}

__forwarding指针

上面提到过__forwarding指针指向的是结构体自己。当使用变量的时候，通过结构体找到__forwarding指针，在通过__forwarding指针找到相应的变量。这样设计的目的是为了方便内存管理。通过上面对__block变量的内存管理分析我们知道，block被复制到堆上时，会将block中引用的变量也复制到堆中。

我们重回到源码中。当在block中修改__block修饰的变量时。

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_age_0 *age = __cself->age; // bound by ref
            (age->__forwarding->age) = 20;
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_jm_dztwxsdn7bvbz__xj2vlp8980000gn_T_main_b05610_mi_0,(age->__forwarding->age));
        }

通过源码可以知道，当修改__block修饰的变量时，是根据变量生成的结构体这里是__Block_byref_age_0找到其中__forwarding指针，__forwarding指针指向的是结构体自己因此可以找到age变量进行修改。

当block在栈中时，__Block_byref_age_0结构体内的__forwarding指针指向结构体自己。

而当block被复制到堆中时，栈中的__Block_byref_age_0结构体也会被复制到堆中一份，而此时栈中的__Block_byref_age_0结构体中的__forwarding指针指向的就是堆中的__Block_byref_age_0结构体，堆中__Block_byref_age_0结构体内的__forwarding指针依然指向自己。

此时当对age进行修改时

// 栈中的age
__Block_byref_age_0 *age = __cself->age; // bound by ref
// age->__forwarding获取堆中的age结构体
// age->__forwarding->age 修改堆中age结构体的age变量
(age->__forwarding->age) = 20;

通过__forwarding指针巧妙的将修改的变量赋值在堆中的__Block_byref_age_0中。

我们通过一张图展示__forwarding指针的作用

__forwarding指针

因此block内部拿到的变量实际就是在堆上的。当block进行copy被复制到堆上时，_Block_object_assign函数内做的这一系列操作。

被__block修饰的对象类型的内存管理

使用以下代码，生成c++代码查看内部实现

typedef void (^Block)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block Person *person = [[Person alloc] init];
        Block block = ^ {
            NSLog(@"%p", person);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

来到源码查看__Block_byref_person_0结构体及其声明

__Block_byref_person_0结构体

typedef void (*Block)(void);
struct __Block_byref_person_0 {
  void *__isa;  // 8 内存空间
__Block_byref_person_0 *__forwarding; // 8
 int __flags; // 4
 int __size;  // 4
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*); // 8
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*); // 8
 Person *__strong person; // 8
};
// 8 + 8 + 4 + 4 + 8 + 8 + 8 = 48 

// __Block_byref_person_0结构体声明

__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_person_0 person = {
    (void*)0,
    (__Block_byref_person_0 *)&person,
    33554432,
    sizeof(__Block_byref_person_0),
    __Block_byref_id_object_copy_131,
    __Block_byref_id_object_dispose_131,
    
    ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"))
};

之前提到过__block修饰的对象类型生成的结构体中新增加了两个函数void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);和void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);。这两个函数为__block修饰的对象提供了内存管理的操作。

可以看出为void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);和void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);赋值的分别为__Block_byref_id_object_copy_131和__Block_byref_id_object_dispose_131。找到这两个函数

static void __Block_byref_id_object_copy_131(void *dst, void *src) {
 _Block_object_assign((char*)dst + 40, *(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}
static void __Block_byref_id_object_dispose_131(void *src) {
 _Block_object_dispose(*(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}

上述源码中可以发现__Block_byref_id_object_copy_131函数中同样调用了_Block_object_assign函数，而_Block_object_assign函数内部拿到dst指针即block对象自己的地址值加上40个字节。并且_Block_object_assign最后传入的参数是131，同block直接对对象进行内存管理传入的参数3，8都不同。可以猜想_Block_object_assign内部根据传入的参数不同进行不同的操作的。

通过对上面__Block_byref_person_0结构体占用空间计算发现__Block_byref_person_0结构体占用的空间为48个字节。而加40恰好指向的就为person指针。

也就是说copy函数会将person地址传入_Block_object_assign函数，_Block_object_assign中对Person对象进行强引用或者弱引用。

强引用示意图

如果使用__weak修饰变量查看一下其中的源码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        __block __weak Person *weakPerson = person;
        Block block = ^ {
            NSLog(@"%p", weakPerson);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_weakPerson_0 *weakPerson; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_weakPerson_0 *_weakPerson, int flags=0) : weakPerson(_weakPerson->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

__main_block_impl_0中没有任何变化，__main_block_impl_0对weakPerson依然是强引用，但是__Block_byref_weakPerson_0中对weakPerson变为了__weak指针。

struct __Block_byref_weakPerson_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_weakPerson_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 Person *__weak weakPerson;
};

也就是说无论如何block内部中对__block修饰变量生成的结构体都是强引用，结构体内部对外部变量的引用取决于传入block内部的变量是强引用还是弱引用。

弱引用示意图

mrc环境下，尽管调用了copy操作，__block结构体不会对person产生强引用，依然是弱引用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block Person *person = [[Person alloc] init];
        Block block = [^ {
            NSLog(@"%p", person);
        } copy];
        [person release];
        block();
        [block release];
    }
    return 0;
}

上述代码person会先释放

block的copy[50480:8737001] -[Person dealloc]
block的copy[50480:8737001] 0x100669a50

当block从堆中移除的时候。会调用dispose函数，block块中去除对__Block_byref_person_0 *person;的引用，__Block_byref_person_0结构体中也会调用dispose操作去除对Person *person;的引用。以保证结构体和结构体内部的对象可以正常释放。

循环引用

循环引用导致内存泄漏。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        person.age = 10;
        person.block = ^{
            NSLog(@"%d",person.age);
        };
    }
    NSLog(@"大括号结束啦");
    return 0;
}

运行代码打印内容

block的copy[55423:9158212] 大括号结束啦

可以发现大括号结束之后，person依然没有被释放，产生了循环引用。

通过一张图看一下他们之间的内存结构

产生循环引用示意图

上图中可以发现，Person对象和block对象相互之间产生了强引用，导致双方都不会被释放，进而造成内存泄漏。

解决循环引用问题 - ARC

首先为了能随时执行block，我们肯定希望person对block对强引用，而block内部对person的引用为弱引用最好。

使用__weak 和 __unsafe_unretained修饰符可以解决循环引用的问题

我们上面也提到过__weak会使block内部将指针变为弱指针。block对person对象为弱指针的话，也就不会出现相互引用而导致不会被释放了。

使用`__weak`和`__unsafe_unretained`修饰

__weak 和 __unsafe_unretained的区别。

__weak不会产生强引用，指向的对象销毁时，会自动将指针置为nil。因此一般通过__weak来解决问题。

__unsafe_unretained不会产生前引用，不安全，指向的对象销毁时，指针存储的地址值不变。

使用__block也可以解决循环引用的问题。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block Person *person = [[Person alloc] init];
        person.age = 10;
        person.block = ^{
            NSLog(@"%d",person.age);
            person = nil;
        };
        person.block();
    }
    NSLog(@"大括号结束啦");
    return 0;
}

上述代码之间的相互引用可以使用下图表示

使用__block也可以解决循环引用

上面我们提到过，在block内部使用变量使用的其实是__block修饰的变量生成的结构体__Block_byref_person_0内部的person对象，那么当person对象置为nil也就断开了结构体对person的强引用，那么三角的循环引用就自动断开。该释放的时候就会释放了。但是有弊端，必须执行block，并且在block内部将person对象置为nil。也就是说在block执行之前代码是因为循环引用导致内存泄漏的。

__strong 和 __weak

__weak typeof(self) weakSelf = self;
person.block = ^{
    __strong typeof(weakSelf) myself = weakSelf;
    NSLog(@"age is %d", myself->_age);
};

在block内部重新使用__strong修饰self变量是为了在block内部有一个强指针指向weakSelf避免在block调用的时候weakSelf已经被销毁。

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转载自blog.csdn.net/u014600626/article/details/86570932
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