Block机制详解

我们知道在Block使用中,Block内部能够读取外部局部变量的值。但我们需要改变这个变量的值时,我们需要给它附加上__block修饰符。

__block另外一个比较多的使用场景是,为了避免某些情况下Block循环引用的问题,我们也可以给相应对象加上__block修饰符。

为什么不使用__block就不能在Block内部修改外部的局部变量?

我们把以下代码通过 clang -rewrite-objc 源代码文件名重写:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
int val = 10;
void (^block)(void) = ^{
NSLog(@"%d", val);
};
block();
}
return 0;
}

可得到如下代码:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
struct __Block_byref_val_0 {
     void *__isa;
     __Block_byref_val_0 *__forwarding;
     int __flags;
     int __size;
     NSInteger val;
};
struct __main_block_impl_0 {
      struct __block_impl impl;
      struct __main_block_desc_0* Desc;
      __Block_byref_val_0 *val; // by ref
      __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_val_0 *_val, int flags=0) : val(_val->__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_val_0 *val = __cself->val; // bound by ref
  (val->__forwarding->val) = 1;
}
static void __main_block_copy_0 (struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {
    _Block_object_assign((void*)&dst->val, (void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
}
static void __main_block_dispose_0 (struct __main_block_impl_0*src)     {
    _Block_object_dispose((void*)src->val, 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 = { 0sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    {   __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_val_0 val = {(void*)0,(__Block_byref_val_0 *)&val, 0sizeof(__Block_byref_val_0), 0};
        void (*block)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_val_0 *)&val, 570425344);
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__val_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_d7fc4b_mi_0, (val.__forwarding->val));
    }
    return 0;
}

我们发现由__block修饰的变量变成了一个__Block_byref_val_0结构体类型的实例。该结构体的声明如下:

1
2
3
4
5
6
7
struct __Block_byref_val_0 {
     void *__isa;
     __Block_byref_val_0 *__forwarding;
     int __flags;
     int __size;
     NSInteger val;
};

注意到这个结构体中包含了该实例本身的引用__forwarding
我们从上述被转化的代码中可以看出 Block 本身也一样被转换成了__main_block_impl_0结构体实例,该实例持有__Block_byref_val_0结构体实例的指针。
我们再看一下赋值和执行部分代码被转化后的结果:

1
2
3
4
5
static void __main_block_func_0 (struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_val_0 *val = __cself->val; // bound by ref
  (val->__forwarding->val) = 1;
}
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);

我们从__cself找到__Block_byref_val_0结构体实例,然后通过该实例的__forwarding访问成员变量val。成员变量val是该实例自身持有的变量,指向的是原来的局部变量。

上面部分我们展示了__block变量在Block查看和修改的过程,那么问题来了:
当block作为回调执行时,局部变量val已经出栈了,这个时候代码为什么还能正常工作呢?
我们为什么是通过成员变量__forwarding而不是直接去访问结构体中我们需要修改的变量呢? __forwarding被设计出来的原因又是什么呢?

存储域
通过上面的描述我们知道Block和__block变量实质就是一个相应结构体的实例。

我们在上述转换过的代码中可以发现__main_block_impl_0结构体构造函数中, isa指向的是_NSConcreteStackBlock

Block还有另外两个与之相似的类:
_NSConcreteStackBlock保存在栈中的block,出栈时会被销毁
_NSConcreteGlobalBlock全局的静态block,不会访问任何外部变量
_NSConcreteMallocBlock保存在堆中的block,当引用计数为0时会被销毁

上述示例代码中,Block是被设为_NSConcreteStackBlock,在栈上生成。

当我们把Block作为全局变量使用时,对应生成的Block将被设为_NSConcreteGlobalBlock,如:

1
2
3
4
5
6
7
void (^block)(void) = ^{NSLog(@"This is a Global Block");};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        block();
    }
    return 0;
}

该代码转换后的代码中,Block结构体的成员变量isa的初始化如下:

1
impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;

那么_NSConcreteMallocBlock在什么时候被使用呢?

分配在全局变量上的Block,在变量作用域外也可以通过指针安全的访问。但分配在栈上的Block,如果它所属的变量作用域结束,该Block就被废弃。同样地,__block变量也分配在栈上,当超过该变量的作用域时,该__block变量也会被废弃。

这个时候_NSConcreteMallocBlock就登场了,Blocks提供了将Block和__block变量从栈上复制到堆上的方法来解决这个问题。将分配到栈上的Block复制到堆上,这样但栈上的Block超过它原本作用域时,堆上的Block还可以继续存在。

复制到堆上的Block,它的结构体成员变量isa将变为:

1
impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;

_block变量中结构体成员__forwarding就在此时保证了从栈上复制到堆上能够正确访问__block变量。在这种情况下,只要栈上的_block变量的成员变量__forwarding指向堆上的实例,我们就能够正确访问。

我们一般可以使用copy方法手动将 Block 或者__block变量从栈复制到堆上。比如我们把Block做为类的属性访问时,我们一般把该属性设为copy。有些情况下我们可以不用手动复制,比如Cocoa框架中使用含有usingBlock方法名的方法时,或者GCD的API中传递Block时。

当一个Block被复制到堆上时,与之相关的__block变量也会被复制到堆上,此时堆上的Block持有相应堆上的__block变量。当堆上的__block变量没有持有者时,它才会被废弃。(这里的思考方式和objc引用计数内存管理完全相同。)
而在栈上的__block变量被复制到堆上之后,会将成员变量__forwarding的值替换为堆上的__block变量的地址。这个时候我们可以通过以下代码访问:

1
val.__forwarding->val

__block变量和循环引用问题
__block修饰符可以指定任何类型的局部变量,上面的转换代码中,有如下代码:

1
2
3
4
5
6
static void __main_block_copy_0 (struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {
_Block_object_assign((void*)&dst->val, (void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
}
static void __main_block_dispose_0 (struct __main_block_impl_0*src) {
_Block_object_dispose((void*)src->val, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
}

当Block从栈复制到堆时,会使用_Block_object_assign函数持有该变量(相当于retain)。当堆上的Block被废弃时,会使用_Block_object_dispose函数释放该变量(相当于release)。

由上文描述可知,我们可以使用下述代码解除Block循环引用的问题:

1
2
3
4
void(^block)(void) = ^{
tmp = nil;
};
block();

通过执行block方法,nil被赋值到_block变量tmp中。这个时候_block变量对self的强引用失效,从而避免循环引用的问题。使用__block变量的优点是:
通过__block变量可以控制对象的生命周期
在不能使用__weak修饰符的环境中,我们可以避免使用__unsafe_unretained修饰符
在执行Block时可动态地决定是否将nil或者其它对象赋值给__block变量
但是这种方法有一个明显的缺点就是,我们必须去执行Block才能够解除循环引用问题,否则就会出现问题。