探秘block原理

概述

在iOS开发中，block大家用的都很熟悉了，是iOS开发中闭包的一种实现方式，可以对一段代码逻辑进行封装，使其可以像数据一样被传递、存储、调用，并且可以保存相关的上下文状态。

很多block原理性的文章都比较老，里面讲的一些知识已经过时，这里用新版的iOS SDK再梳理一遍block原理，也是和大家一起对已有知识做一次复习。

内存布局

block本质上可以理解为结构体，对于结构体的内存布局，先用一张图来表示一下，图中字段顺序按照布局的先后顺序：

isa：block也有isa，从内存结构上也属于对象，isa指向的是block的类对象，类对象例如__NSMallocBlock__，后续文章会讲到；
flags：用于存储一些标志位信息，例如是否捕获外部变量；
reserved：系统保留字段，后续可能会用于一些编译优化标志位，或者存储一些临时变量的处理；
invoke：函数指针，指向了block要执行的函数地址，也就是block代码块对应的函数地址；
descriptor(现在叫desc)：指向block_desc_0，包含block大小、捕获的外部变量布局信息、增加引用计数和销毁的相关函数指针；
variables：block捕获的外部变量。

类型

由于block也是对象，可以通过class方法获取到其类型，也就是类对象。block有下面三种类型：

__NSGlobalBlock__，没有访问auto变量的block，访问static变量是没问题的。这种类型的变量并没有什么意义，如果不需要用到auto变量，写成方法就可以满足需求；
__NSStackBlock__，在MRC环境下，访问了auto变量，会默认被放在栈区。需要手动copy到堆区，ARC环境下会在访问auto变量后，会自动拷贝到堆区；
__NSMallocBlock__，由开发者自己管理内存，不会由系统来释放。

block的分配主要是在三个区域，堆区、栈区、全局区，全局区的数据存储在数据段。

block在不同的场景会存在不同的内存区域中，在MRC中创建一个block首先是在__NSStackBlock__内存中的，然后我们使用copy方法将block拷贝到__NSMallocBlock__内存中进行内存管理。后来在ARC中系统已经帮我们做好了copy的操作，创建的block会自动copy到__NSMallocBlock__内存中，堆区的block也有引用计数的概念。如果这个block中没有用到任何外部参数，系统会将这个block存放在__NSGlobalBlock__内存中。

并且block也有继承关系，以下面TestBlock的实例来说，其父类是__NSGlobalBlock__，所有block的父类是NSBlock，并且NSBlock继承自NSObject类。在更早一些的iOS系统中，__NSGlobalBlock__和NSBlock之间，还会有一层__NSGlobalBlock的关系(后面没有下划线)。

转换C++

下面，我们通过clang命令将block转为结构体，来分析下其具体实现。虽然这并不是最终运行在iOS系统上的代码，其等于一种中间表现形式，后续编译链接优化才会形成运行在手机上的ipa包，但对于我们了解block的实现原理有很大帮助。

4.1转换命令

xcrun是Xcode用于查找和执行相关命令行的工具集，可以更好的执行clang命令，减少报错。

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc [源文件路径] -o [目标文件路径]

clang命令有下面这些关键参数：

-fobjc-arc：如果项目是ARC或者ARC和MRC混编的环境，需要通过此参数修饰，表示按ARC的方式进行转换，如果不需要ARC环境可以忽略；
-x objective-c++：此参数上面没用，如果包含Objective++源文件的时候，需要用到此参数，以确保clang可以区分OC和C++代码；
-rewrite-objc：告诉clang以C++的方式重写出来，包含的上层代码，clang会以底层代码的方式进行展现；
[目标文件路径]：非必传参数，不传的话默认在当前目录生成一个同名的cpp文件，例如main.m对应main.cpp。

4.2转换示例

下面在main.m中实现了一个很简单的block，并且没有捕获任何外部变量，通过clang命令查看C++代码，观察block的具体实现原理。

转换后将C++源文件拉到最下面，可以看到main函数以及TestBlock的实现，main函数中有很多转义代码，删掉后梳理逻辑会更清晰。

结构体

5.1基础结构

转换后的代码看着比较复杂，但我们只看关键信息，__main_block_impl_0构造函数也可以去掉，整理后就是下面三个结构体。在不包含外部变量和__block的前提下，block结构体各个字段就这么简单，关键就是isa、Block_size、FuncPtr这三个。

我们也可以打印block结构体相关字段，但由于block的结构体并没有声明在某个.h文件中，所以需要我们讲clang转换后的结构体粘到对应的文件中，做显示声明。随后用__bridge的方式，将block对象桥接为自己声明的结构体，即可打印对应字段。

结构体中impl.FuncPtr存储的就是回调函数地址，从地址可以看出是一个虚拟地址，block结构体都存储在堆区。

5.2调用部分

看完block结构体的定义，我们来到main函数中，看block的实现和调用转换后是什么样的。将main函数中block相关的转换都去掉，结果如红圈部分。本质上就是两步，第一步是调用__main_block_impl_0的结构体构造函数，第二步是调用结构体的函数指针。

第一行main函数中调用的构造方法，是__main_block_impl_0结构体声明的C++构造函数，因为我们创建的是一个最简单block，可以看到block的存储区域是在stack栈区的。即main函数调用完，block生命周期就会结束。

__main_block_impl_0构造函数有两个参数，第一个红圈部分就是传入函数指针地址，函数对应的就是block内部的实现代码。第二个参数是__main_block_desc_0_DATA结构体，其定义为__main_block_desc_0，并且默认实现第一个参数传0，第二个参数是block结构体的大小，结构体为__main_block_impl_0 block自身的结构体大小。第三个参数有默认值，可以不传。

__main_block_desc_0结构体是一种紧凑型的写法，在声明__main_block_desc_0结构体后，紧接着声明了一个名为__main_block_desc_0_DATA的变量，变量类型为静态变量，并且实现了初始化相关代码。

在执行block的代码位置，可以看到并不是block->impl.FuncPtr的方式调用，而是直接block->FuncPtr的方式调用，中间少了一步。

严谨些来说应该加上impl，但不加也不会出问题。这是因为，如果看未删除转换代码的原始clang代码，可以看到block是被转换为__block_impl的，也就是说被当做__block_impl看待的。如果再结合__main_block_impl_0的结构体定义来看，__block_impl在成员变量的第一位，所以访问FuncPtr是没有问题的，只要不访问Desc就是可以的。

外部变量

6.1值类型

如果在block的调用中加一个外部变量，那结构体将会是怎样的？

通过clang命令可以可以看到，转换后的__main_block_impl_0中增加了一个同名字段，这很简单没必要过多解释。在__main_block_impl_0构造函数中传入，通过冒号后的初始化列表对value参数进行初始化。

后面传参和使用，就都是结构体赋值和取值逻辑，很简单。

6.2值传递

下面这种写法，在block的使用中很容易踩坑。在block中使用value参数，并且打印value参数，发现结果为1，而不是2。

通过C++源码我们可以看到，这是因为如果block引用的外部变量是值类型，会采取直接复制值的方式，而不是指针引用。

想解决这个问题也很简单，通过__block修饰一下值类型，即可实现block内value的值和外部value参数统一。

6.3静态变量

我们看一下，如果捕获的是一个static修饰的静态变量，其结构体会是什么实现。

转换为C++代码后，可以看到原来的值传递变成了地址传递，__main_block_impl_0中value的引用是指针引用，在main函数中将value的地址传入。如果被static修饰的本身就是一个对象，对象是通过指针引用的，在block的结构体中就是两个星号引用。也就是NSObject **obj。

正是由于静态变量地址传递的实现，在block内可以对静态变量直接进行更改，而无需用__block进行修饰。

6.4全局变量

如果把value改为全局变量，结构体会有什么变化呢？

因为全局变量的作用域很大，所以并不需要block进行单独持有即可访问，结构体并不会新增字段。

6.5对象类型变量

如果block中引用的是对象，而不是基础数据类型，结构体会是什么定义呢？

执行clang命令，执行完成后结构体是下图的，下面代码去掉了转换，以及整理过代码。可以看到多了两个函数指针，__main_block_copy_0和__main_block_dispose_0。

以copy的实现__main_block_copy_0为例，执行后会调用Block_object_assign的实现，在实现中系统会根据person的引用方式，__strong、__weak、__unsafe_unretained，是强引用还是弱引用，调用对应的内存管理方法。

__main_block_dispose_0函数在block从堆区移除的时候被调用，调用dispose时会调用实现Block_object_dispose函数，函数中会根据person的引用方式，进行对应的减少引用计数或释放操作。

copy和dispose两个函数都有一个3的参数，这个参数是一个标志位，表示外部变量类型。这里是BLOCK_FIELD_IS_OBJECT表示一个对象类型，也有BLOCK_FIELD_IS_WEAK表示weak引用的变量，BLOCK_FIELD_IS_BLOCK表示block类型的变量等。