【iOS】Block底层分析

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前言

Block是带有局部变量的匿名函数，函数实现就是代码块里的内容，同样有参数和非返回值，本质是一个封装了函数调用以及函数调用环境的OC对象，因为它内部有isa指针

Block的基本使用请看这两篇文章：

• k
• l

本篇文章着重探究Block这些特性的底层原理

Block底层结构

声明一个最简单的块并调用：

void (^block)(void) = ^{NSLog(@"Hello World!");
};
block();

使用xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m命令将OC代码转换成C++代码：

// 原本的代码有各种强制转换，目前不重要，先删去从简// 声明并实现一个block
// void (*block)(void) = ((void (*)(int, int))&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
block = &__main_block_impl_0(__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);// 调用执行block
// ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
block->FuncPtr(block);
// __main_block_impl_0可以直接转换为__block_impl类型，是因为两个类型的结构体地址是一样的，而且相当于直接把__block_impl里的值都放到__main_block_impl_0里

这些穿插了许多下划线的符号实际上是不同的结构体变量，Block本质就是struct __main_block_impl_0类型的结构体，下图清晰地说明了block的底层结构：

__main_block_impl_0可以直接转换为__block_impl类型，是因为两个类型的结构体地址是一样的（相当于直接把__block_impl里的值都放到__main_block_impl_0里）
所以block.impl->FuncPtr(block)就相当于block->FuncPtr(block)

Block捕获变量原理

为了保证block内部能够正常访问外部的变量，block有个变量捕获机制

捕获局部变量（auto、static）

auto：自动变量，离开作用域就自动销毁，只存在于局部变量
static：静态局部变量

// 不加关键字默认是auto变量
/*auto*/ int age = 10;
static int height = 175;void (^block)(void) = ^{// age、height的值捕获进来（capture））NSLog(@"age is %d, height is %d", age, height);
};// 修改局部变量的值
age = 20;
height = 180;block();
NSLog(@"%d %d", age, height);

打印结果：

可以看到age仍为修改前的值，而height确确实实被修改了

将以上代码转换成C++代码来看一下：

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

• Block结构体的变量多了两个，分别是age、height，这说明外部的变量被捕获到了Block的内部
• 构造函数后面的 : age(_age), height(_height)语法会自动将_age、_height赋值给int age、int* height来保存

声明实现Block调用析构函数：

int age = 10;
static int height = 175;block = ((void (*)())&__test_block_impl_0((void *)__test_block_func_0, &__test_block_desc_0_DATA, age, &height));age = 20;
height = 180;

而后调用Block，实际调用__main_block_func_0：

block->FunPtr(block)

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {int age = __cself->age; // bound by copyint *height = __cself->height; // bound by copyNSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_2r__m13fp2x2n9dvlr8d68yry500000gn_T_main_d2875b_mi_0, age, (*height));
}

此时的age是值传递，打印的只是Block初始化时传进去的值，后面age修改跟这个值无关；height是指针传递，打印的是height变量地址一直所指向那块内存的值

全局变量

int age_ = 10;
static int height_ = 175;int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {void (^block)(void) = ^{NSLog(@"age_ is %d, height_ is %d", age_, height_);};age_ = 20;height_ = 180;block();}return 0;
}

全局变量一直在内存中，打印的一直是最新的值，不用捕获

为什么会有这样的差异呢？

auto和static：因为作用域的问题，自动变量的内存随时可能被销毁，所以要捕获就赶紧把它的值拿进来，防止调用的时候访问不到；静态变量就不一样了，它一直在内存中（作用域仅限于定义它们的函数、它们不能在函数外访问），随时可以通过指针访问到最新的值

全局变量：在Block中访问局部变量相当于是跨函数访问，要先将变量存储在Block里（捕获），使用的时候再从Block中取出，而全局变量是直接访问

捕获实例self

- (void)testSelf {void (^block)(void) = ^{// NSLog(@"--------%p -- %p -- %p -- %p", self, _name, self->_name, self.name);NSLog(@"--------%p", self);/*NSLog(@"--------%p", self->_name);相当于NSLog(@"--------%p", _name);也会捕获进去*/};block();
}

看了它的C++实现后，发现self也会被捕获进去

实际上OC方法转换成C++函数后会发现前两个参数永远是方法调用者self、方法名_cmd：

void testSelf(Person* self, SEL _cmd, ) {// ...
}

即然self是参数，参数也是局部变量，它被捕获进Block也就能解释得通了

Block类型

上面提到Block是OC对象，因为它有isa指针，对象的isa指向它的类型，那么Block都有什么类型呢？

首先运行以下代码：

void (^block)(void) = ^{NSLog(@"Hello!");
};
NSLog(@"%@ %@", block, [block class]);
NSLog(@"%@", [[block class] superclass]);
NSLog(@"%@", [[[block class] superclass] superclass]);
/*__NSGlobalBlock__NSBlockNSObject*/

可以看到Block类型的根类是NSObject，也能说明Block是一个OC对象

不同操作对应的Block类型不同

// Global：没有访问auto变量，跟static变量无关
void (^block1)(void) = ^{NSLog(@"Hello");
};// 函数调用栈：要调用一个函数的时候，就会指定一块栈区空间给这个函数用
// 一旦函数调用完毕后，栈区的这块空间就会回收，变成垃圾数据，会被其他数据覆盖// Stack：访问了auto变量
int age = 21;
void (^block2)(void) = ^{NSLog(@"Hello - %d", age);
};
// ARC下打印Malloc？MRC下确实是StackNSLog(@"%@ %@ %@", [block1 class], [block2 class], [^{NSLog(@"%d", age);
} class]); // 打印结果：__NSGlobalBlock__ __NSStackBlock__ __NSStackBlock__// 编译完成后isa指向是_NSConcreteStackBlock、_NSConcreteMallocBlock、_NSConcreteGlobalBlock
// 首先肯定以运行时的结果为准，Block确实有三种类型，可能会通过Runtime动态修改类型

• 没有访问自动变量的Block类型是__NSGlobalBlock__，存储在数据段
  其实Global不常用，既然不访问变量，那么将代码块封装成函数一行直接调用才显得更为简洁

• 访问了自动变量的Block类型是__NSStackBlock__，存储在栈区
  以上代码是在MRC下运行的

• __NSStackBlock__的Block调用了copy后类型会变为__NSMallocBlock__，存储在堆区
  若是在ARC下运行，即使不用copy修饰编译器也会自动对__NSStackBlock__进行copy操作，block2的类型将会是Malloc类型

手动对每种类型的Block调用copy后的结果如下图所示

Block的copy

在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上
放到堆上的目的是方便我们来控制他的生命周期，可以更有效的进行内存管理

Block作为返回值

typedef void(^BBlock)(void);BBlock myBlock(void) {int age = 21;return ^{NSLog(@"----------%d", age);};
}BBlock bblock = myBlock();
bblock();
NSLog(@"%@", [bblock class]); // __NSMallocBlock__
//BBlock myBlock(void) {
//    return [^{
//        NSLog(@"----------");
//    } copy];
//}

由于Block在栈区，所以函数调用完毕后Block内存就被销毁了，再去调用它就很危险，如果在MRC下运行上述代码，编译器会提示报错：

ARC下不必担心此问题，编译器会自动对返回的Block进行copy操作（如注释所写），返回拷贝到堆上的Block

将Block赋值给__strong指针

int age = 21;
/*__strong*/ BBlock bblock = ^{NSLog(@"--------%d", age);
};
NSLog(@"%@", [bblock class]);  // ARC：__NSMallocBlock__// 没有被强指针指着
NSLog(@"%@", [^{NSLog(@"--------%d", age);
} class]); // __NSStackBlock__

Block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数

NSArray* array = @[@"one", @2, @{@"seven" : @7}];
// 遍历数组并调用Block
[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id  _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) {NSLog(@"%@ --- %lu", obj, (unsigned long)idx);
}];

Block作为GCD API的方法参数

static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{});
dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{});

Block属性的写法

因为编译器会自动视情况进行copy操作，所以两种写法都没问题，只是为了统一规范建议使用copy来修饰属性

@property (strong, nonatomic) void (^block)(void);
@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

Block访问对象类型的auto变量

Block在栈上

只要Block存在栈上，无论访问外部变量是用强指针还是弱指针，都不会对外部auto变量产生强引用

Block被拷贝到堆上

如果Block被拷贝到堆上，会根据auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作

BBlock bblock;
{__strong Person* person = [[Person alloc] init];// __weak Person* person = [[Person alloc] init];person.age = 21;bblock = ^{// 在ARC环境下block会自动拷贝到堆区间，切换修饰符__strong和__weak，person分别会不释放和释放NSLog(@"-%d-", person.age);};// MRC环境下block是在栈区间的，所以不会对age进行强引用，person会随着作用域结束而释放//[bblock release];
}
NSLog(@"--------------");

将上面代码文件转换成C++文件：

struct __main_block_impl_0 {struct __block_impl impl;struct __main_block_desc_0* Desc;Person *__strong person;__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, Person *__strong _person, int flags=0) : person(_person) {impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;impl.Flags = flags;impl.FuncPtr = fp;Desc = desc;}
};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};static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->person, (void*)src->person, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

Block内部的__main_block_desc_0结构体会调用copy函数，copy函数内部会调用_Block_object_assign函数，而_Block_object_assign函数会根据auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用

Block从堆上移除

如果Block从堆上移除，会调用Block内部的dispose函数，dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数，_Block_object_dispose函数会自动release引用的auto变量

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->person, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

注：

• 只有在引用对象类型的变量时，才会生成copy和dispose函数
• 如果引用的是static修饰的对象类型，那么捕获的变量在C++代码中将会是Person *__strong *person;
• 代码里有__weak，转换C++文件可能会报错cannot create __weak reference in file using manual reference，可以指定支持ARC、指定运行时系统版本xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m

使用GCD API验证Block对外部变量的强弱引用（Github Demo）：

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {Person* person = [[Person alloc] init];__weak Person* weakPerson = person;// 强引用了，Block调用完毕释放了person才会释放
//    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(3.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
//        NSLog(@"---%@", person);
//    });// 弱引用，调用Block之前person已经释放
//    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(3.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
//        NSLog(@"---%@", weakPerson);
//    });// 编译器已经检查到会有强引用
//    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
//        NSLog(@"---1%@", weakPerson);
//        dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
//            NSLog(@"---2%@", person);
//        });
//    });// 不会等到弱引用就释放了dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(1.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{NSLog(@"---1%@", person);dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{NSLog(@"---2%@", weakPerson);});});NSLog(@"Screen Touched");
}

修饰符__block

如果在Block内部修改捕获的auto变量值，编译器将会报错：

int age = 21;
BBlock block = ^{age = 20;NSLog(@"%d", age);
};
block();

从底层可看出在这里修改变量的值，实际上是通过改变__main_block_fun_0函数里的局部变量达到改变main函数里的变量，这是两个独立的函数，显然不可能

1. 使用static修饰变量

用static来修饰age属性，底层用指针访问，block内部引用的是age的地址值，函数间会传递变量的地址，可以根据地址去修改age的值，修改的就是同一块内存
但不好的是age属性会一直存放在内存中不销毁，造成多余的内存占用，而且会改变age属性的性质，不再是一个auto变量了

2. 使用__block修饰变量

用__block来修饰属性，底层会生成__Block_byref_age_0类型的结构体对象，里面存储着age的真实值

转换成C++文件来查看内部结构，经__block修饰后，会根据__main_block_impl_0里生成的age对象来修改内部的成员变量age而且在外面打印的age属性的地址值也是__Block_byref_age_0结构体里的成员变量age的地址，目的就是不需要知道内部的真实实现，所看到的就是打印出来的值

struct __Block_byref_age_0 {void *__isa;
__Block_byref_age_0 *__forwarding;  // 指向结构体本身int __flags;int __size;int age;
};struct __main_block_impl_0 {struct __block_impl impl;struct __main_block_desc_0* Desc;__Block_byref_age_0 *age; // by ref__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_age_0 *_age, int flags=0) : age(_age->__forwarding) {impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;impl.Flags = flags;impl.FuncPtr = fp;Desc = desc;}
};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(int argc, const char * argv[]) {/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; // 传进去的是age的地址__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, p, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);}return 0;
}

总结

• __block可以用于解决block内部无法修改auto变量值的问题
• 编译器会将__block变量包装成一个对象
• 其实修改的变量是__block生成的对象里面存储的变量的值，而不是外面的auto变量，但是内部生成的相同的变量的地址和外面的auto变量地址值是一样的，所以修改了内部的变量也会修改了外面的auto变量
• __block不能修饰全局变量、静态变量（static）

__block内存管理

程序编译时，block和__block都是在栈中的，这时并不会对__block变量产生强引用

因为__block也会包装成 OC对象，所以block底层也会生成copy函数和dispose函数

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_FIELD_IS_BYREF*/);}static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->age, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

Block复制到堆上

当block被copy到堆时，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（retain）
实际上，这时__block修饰的变量因为被包装成了OC对象，所以也会被拷贝到堆上，如果再有block强引用__block，由于__block变量已经拷贝到堆上了，就不会再拷贝了：

Block从堆上移除

当block从堆中移除时，会调用block内部的dispose函数，dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数，_Block_object_dispose函数会自动释放引用的__block变量（release）

如果有多个block同时持有着__block变量，那么只有所有的block都从堆中移除了，__block变量才会被释放

__block和OC对象在block中的区别

__block生成的对象就是强引用，而NSObject对象会根据修饰符__strong或者__weak来区分是否要进行retain操作

注意：__weak不能修饰基本数据类型，编译器会报__weak' only applies to Objective-C object or block pointer types; type here is 'int'警告

__forwarding指针

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;
}

• 在栈中，__block中的__forwarding指针指向自己的内存地址
• 复制到堆中之后，__forwarding指针指向堆中的__block，堆中的__forwarding指向堆中的__block
• 这样的目的都是为了不论访问的__block是在栈上还是在堆上，都可以通过__forwarding指针找到存储在堆中的auto变量

保证20被存储在堆中Block所引用的变量

__block修饰对象类型

情况类似于Block捕获对象类型的auto变量，__block包装的对象结构体里的对象变量会有__strong或__weak修饰

当__block对象在栈上时，不会对指向的对象产生强引用

当__block对象被copy到堆上时，也会生成一个新的结构体对象，并且只会被block进行强引用，会根据不同的修饰符__strong和__weak来对应着该对象类型成员变量是被强引用（retain）或弱引用

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;
};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);// __Block_byref_weakPerson_0 weakPerson = {0, &weakPerson, 33554432, sizeof(__Block_byref_weakPerson_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, person};
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_weakPerson_0 weakPerson = {(void*)0,(__Block_byref_weakPerson_0 *)&weakPerson, 33554432, sizeof(__Block_byref_weakPerson_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, person};

注：在MRC环境下即使用__block修饰，对于结构体对象的成员变量，__block内部只会对auto变量进行弱引用，无论加不加__weak，block还没有释放，__block修饰的变量就已经释放了，这点和在ARC环境下不同

Block循环引用

两个对象相互强引用，导致谁的引用计数都不会归零，谁都不会释放

int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {Person* person = [[Person alloc] init];person.age = 21;person.block = ^{NSLog(@"%d", person.age);};}NSLog(@"111111111111");return 0;
}

结果就是person对象不会释放，因为没有调用dealloc方法

person对象里面的block属性强引用着block对象，而block对象内部也会有一个person的成员变量指向这个Person对象，这样就会造成循环引用，谁也无法释放

@implementation Person- (void)test {self.block = ^{NSLog(@"%d", self.age);};
}- (void)dealloc
{NSLog(@"%s", __func__);
}@endint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {Person* person = [[Person alloc] init];person.age = 21;[person test];}return 0;NSLog(@"111111111111");
}

block引用（捕获，之前提到self就是函数的第一个参数，参数也是局部变量）self，self又持有block，同样会造成循环引用

解决办法

• 使用__weak、__unsafe_unretained让Block指向对象的引用变为弱引用

  

  //    __unsafe_unretained typeof(self)weakSelf = self;
  __weak typeof(self)weakSelf = self;self.block = ^{NSLog(@"%d", weakSelf.age);
  };
  

• 用__block解决，用__block修饰对象会造成三者相互引用造成循环引用，需要手动调用block

  

  __block Person* person = [[Person alloc] init];
  person.age = 21;
  person.block = ^{NSLog(@"%d", person.age);person = nil;
  };
  person.block();
  

  block内部也需要手动将person置空，这个person是__block内部生成的指向Person对象的变量

• block传参，将self作为参数传入block中，进行指针拷贝，并没有对self进行持有

  // Person.m
  self.block = ^(Person * _Nonnull person) {NSLog(@"%d", person.age);
  };
  self.block(self);
  

• MRC下不支持__weak，只能使用__unsafe_unretained
  MRC下直接使用__block即可解决循环引用，上面提到了MRC环境下__block修饰的变量只会被弱引用，已达成效果：

  __block Person *person = [[Person alloc] init];
  person.age = 10;person.block = [^{NSLog(@"age is %d", person.age);
  } copy];[person release];
  

强弱共舞

这种情况虽没有引起循环引用，但block延迟执行2秒，等person释放后，就无法获取其age，很不合理

__weak typeof(person) weakPerson = person;
person.block = ^{dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{NSLog(@"%d", weakPerson.age);});
};
person.block();

改进一下：

__weak typeof(person) weakPerson = person;
person.block = ^{__strong __typeof(weakPerson)strongPerson = weakPerson;dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{NSLog(@"%d", strongPerson.age);});
};
person.block();

通过运行结果发现，完全解决了以上self中途被释放的问题，这是为什么呢？分析如下：

• 在完成block中的操作之后，才调用了dealloc方法。添加strongWeak之后，持有关系为：self -> block -> strongWeak -> weakSelf -> self
• weakSelf被强引用了就不会自动释放，因为strongWeak只是一个临时变量，它的声明周期只在block内部，block执行完毕后，strongWeak就会释放，而弱引用weakSelf也会自动释放

总结

Block在iOS开发中极为重要，非常适合处理异步操作、回调、集合操作等场景，重点学习Block的内存管理、变量捕获和循环引用解决方案