iOS之武功秘籍⑮: Block的原理

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写在前面

相信大家对block都有一定的了解，日常开发中也经常能看到它的身影.本文会从block概念、blcok循环引用、block底层三方面进行讲解

本节可能用到的秘籍Demo

一、Block初探

① block定义

带有自动变量（局部变量）的匿名函数叫做block，又叫做匿名函数、代码块

② block分类

block主要有三种类型

  • __NSGlobalBlock__：全局block，存储在全局区

此时的block无参也无返回值，属于全局block

  • __NSMallocBlock__：堆区block，因为block既是函数，也是对象

此时的block会访问外界变量，即底层拷贝a，所以是堆区block

  • __NSStackBlock__：栈区block

其中局部变量a在没有处理之前（即没有拷贝之前）是 栈区block， 处理后（即拷贝之后）是堆区block ，目前的栈区block越来越少了

这个情况下，可以通过__weak不进行强持有，block就还是栈区block

总结:

  • block直接存储在全局区
  • 如果block访问外界变量，并进行block相应拷贝，即copy操作
    • 如果此时的block是强引用，则block存储在堆区，即堆区block
    • 如果此时的block通过__weak变成了弱引用，则block存储在栈区，即栈区block

二、Block循环引用

① 循环引用的分析

  • 正常释放：是指A持有B的引用，当A调用dealloc方法，给B发送release信号，B收到release信号，如果此时B的retainCount（即引用计数）为0时，则调用B的dealloc方法
  • 循环引用：A、B相互持有，所以导致A无法调用dealloc方法给B发送release信号，而B也无法接收到release信号.所以A、B此时都无法释放

② 解决循环引用

请问下面两段代码有循环引用吗？


  • 代码一种发生了循环引用，因为在block内部使用了外部变量name，导致block持有了self，而self原本是持有block的，所以导致了self和block的相互持有.
  • 代码二中无循环引用，虽然也使用了外部变量，但是self并没有持有animation的block，仅仅只有animation持有self，不构成相互持有.

解决循环引用常见的方式有以下几种:

  • 方式①: weak-strong-dance -- 强弱共舞
  • 方式②: __block修饰对象（需要注意的是在block内部需要置空对象，而且block必须调用）
  • 方式③: 传递对象self作为block的参数，提供给block内部使用
  • 方式④: 使用NSProxy

②.1 方式①: weak-strong-dance

  • 如果block内部并未嵌套block，直接使用__weak修饰self即可

此时的weakSelf和self指向同一片内存空间，且使用__weak不会导致self的引用计数发生变化，可以通过打印weakSelf和self的指针地址，以及self的引用计数来验证，如下所示

  • 如果block内部嵌套block，需要同时使用__weak 和 __strong

其中strongSelf是一个临时变量，在block的作用域内，即内部block执行完就释放strongSelf

这种方式属于打破self对block的强引用，依赖于中介者模式，属于自动置为nil，即自动释放

②.2 方式②: __block修饰变量

这种方式同样依赖于中介者模式，属于手动释放，是通过__block修饰对象，主要是因为__block修饰的对象是可以改变的

需要注意的是这里的block必须调用，如果不调用block，vc就不会置空，那么依旧是循环引用，self和block都不会被释放.

②.3 方式③: 对象self作为参数

主要是将对象self作为参数，提供给block内部使用，不会有引用计数问题

②.4 方式④: NSProxy 虚拟类

  • OC是只能单继承的语言，但是它是基于运行时的机制，所以可以通过NSProxy来实现伪多继承，填补了多继承的空白

  • NSProxy和NSObject是同级的一个类，也可以说是一个虚拟类，只是实现了NSObject的协议

  • NSProxy其实是一个消息重定向封装的一个抽象类，类似一个代理人，中间件，可以通过继承它，并重写下面两个方法来实现消息转发到另一个实例

    - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation;
- (nullable NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)sel

使用场景

NSProxy的使用场景主要有两种

  • 实现多继承功能
  • 解决了NSTimer&CADisplayLink创建时对self强引用问题，参考YYKit的YYWeakProxy

循环引用解决原理
主要是通过自定义的NSProxy类的对象来代替self，并使用方法实现消息转发

下面是NSProxy子类的实现以及使用的场景

  • 自定义一个NSProxy的子类CJLProxy
  • 自定义TCJCat类和TCJDog类
  • 通过TCJProxy实现多继承功能
  • 通过TCJProxy解决定时器中self的强引用问题

②.5 总结

循环应用的解决方式从根本上来说就两种，以self -> block -> self为例

  • 打破self对block的强引用，可以block属性修饰符使用weak，但是这样会导致block还每创建完就释放了，所以从这里打破强引用行不通
  • 打破block对self的强引用，主要就是self的作用域和block作用域的通讯，通讯有代理、传值、通知、传参等几种方式，用于解决循环，常见的解决方式如下：
    • weak-strong-dance
    • __block(block内对象置空，且调用block)
    • 将对象self作为block的参数
    • 通过NSProxy的子类代替self

三、Block底层原理

主要是通过clang、断点调试等方式分析Block底层

③.1 block本质

  • 定义block.c文件
  • 通过xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch x86_64 -rewrite-objc block.c，将block.c 编译成 block.cpp，其中block在底层被编译成了以下的形式

通过简化我们知道:相当于block等于__main_block_impl_0，是一个函数

  • 查看__main_block_impl_0，是一个结构体，同时可以说明block是一个__main_block_impl_0类型的对象，这也是为什么block能够%@打印的原因.

总结：block的本质是对象、函数、结构体，由于block函数没有名称，也被称为匿名函数或代码块

block通过clang编译后的源码间的关系如下所示，以__block修饰的变量为例

③.1.1 block为什么需要调用

在底层block的类型为__main_block_impl_0结构体，通过其同名构造函数创建，第一个传入的block的内部实现代码块，即__main_block_func_0，用fp表示，然后赋值给impl的FuncPtr属性，然后在main中进行了调用，这也是block为什么需要调用的原因.如果不调用，block内部实现的代码块将无法执行，可以总结为以下两点

  • 函数声明：即block内部实现声明成了一个函数__main_block_func_0
  • 执行具体的函数实现：通过调用block的FuncPtr指针，调用block执行

③.1.2 block是如何获取外界变量的

  • 定义一个变量，并在block中调用

  • 底层编译成下面这样

__main_block_func_0中的a是值拷贝，如果此时在block内部实现中作 a++操作，是有问题的，会造成编译器的代码歧义，即此时的a是只读的.

总结：block捕获外界变量时，在内部会自动生成同一个属性来保存

③.1.3 __block的原理

  • 对a加一个__block，然后在block中对a进行++操作

底层编译为如下
  • main中的a是通过外界变量封装的对象
  • __main_block_impl_0中，将对象a的地址&a给构造函数
  • 在__main_block_func_0内部对a的处理是指针拷贝，此时创建的对象a与传入对象的a指向同一片内存空间

总结：

  • 外界变量通过__block生成__Block_byref_a_0结构体
  • 结构体用来保存原始变量的指针和值
  • 将变量生成的结构体对象的指针地址传递给block，然后在block内部就可以对外界变量进行操作了

上面__block和非__block修饰局部变量产生两种不同的拷贝

  • 非__block修饰：值拷贝 - 深拷贝，只是拷贝数值，且拷贝的值不可更改，指向不同的内存空间，案例中普通变量a就是值拷贝
  • __block修饰：指针拷贝 - 浅拷贝，生成的对象指向同一片内存空间，案例中经过__block修饰的变量a就是指针拷贝

③.2 分析block源码所在位置

  • 通过在block处打断点，分析运行时的block,打开汇编
  • 加objc_retainBlock符号断点，发现会走到_Block_copy
  • 加_Block_copy符号断点，运行断住，在libsystem_blocks.dylib源码中

可以到苹果开源网站下载最新的libclosure-78源码,通过查看_Block_copy的源码实现，发现block在底层的真正类型是Block_layout

③.3 Block真正类型 -- Block_layout

查看Block_layout类型的定义，是一个结构体

  • isa：指向表明block类型的类
  • flags：标识符，按bit位表示一些block的附加信息，类似于isa中的位域，其中flags的种类有以下几种，主要重点关注BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE 和 BLOCK_HAS_SIGNATURE. BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE 决定是否有 Block_descriptor_2.BLOCK_HAS_SIGNATURE 决定是否有 Block_descriptor_3
    • 第1位: BLOCK_DEALLOCATING，释放标记，-般常用 BLOCK_NEEDS_FREE 做 位与 操作，一同传入 Flags ， 告知该 block 可释放
    • 第16位: BLOCK_REFCOUNT_MASK，存储引用计数的值;是一个可选用参数
    • 第24位: BLOCK_NEEDS_FREE，第16是否有效的标志，程序根据它来决定是否增加或是减少引用计数位的值;
    • 第25位: BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE，是否拥有拷贝辅助函数(a copy helper function);
    • 第26位: BLOCK_HAS_CTOR，是否拥有 block 析构函数;
    • 第27位: BLOCK_IS_GC,标志是否有垃圾回收;//OS X
    • 第28位: BLOCK_IS_GLOBAL，标志是否是全局block;
    • 第30位: BLOCK_HAS_SIGNATURE，与 BLOCK_USE_STRET 相对，判断当前 block 是否拥有一个签名.用于 runtime 时动态调用
  • reserved：保留信息，可以理解预留位置，猜测是用于存储block内部变量信息
  • invoke：是一个函数指针，指向block的执行代码
  • descriptor：block的附加信息，比如保留变量数、block的大小、进行copy或dispose的辅助函数指针.有三类
    • Block_descriptor_1是必选的
    • Block_descriptor_2 和 Block_descriptor_3都是可选的

以上关于descriptor的分类可以从其构造函数中体现，其中Block_descriptor_2和Block_descriptor_3都是通过Block_descriptor_1的地址，经过内存平移得到的

③.4 Block内存变化

  • 打断点运行，打开汇编调式,走到objc_retainBlock，block断点处读取寄存器x0，此时的block是全局block ，即__NSGlobalBlock__类型
  • 增加外部变量a，并在block内打印

此时读取block断点处读取寄存器x0，此时的block是 栈block -- __NSStackBlock__

  • 执行到符号断点objc_retainBlock时，还是栈区block
  • 增加_Block_copy符号断点并断住，直接在最后的ret加断点，读取x0，发现经过_Block_copy之后，变成了堆block，即__NSMallocBlock__，主要是因为block地址发生了改变，为堆block

调用情况

  • 同样也可以通过断点来验证
  • register read x0 读取x0，为堆block
  • 继续往下走,register read x9 读取x9,还是堆block
  • 继续往下register read x11 ，此时是指向一片内存空间，用于存储_block_invoke
  • 按住control + step into，进入 _block_invoke，可以得出是通过内存平移得到的block内部实现

前面提到的Block_layout的结构体源码,从源码中可以看出，有个属性invoke，即block的执行者，是从isa的首地址平移 16字节取到invoke，然后进行调用执行的.

③.5 签名

继续操作，读取x0寄存器,看内存布局,通过 内存平移 3*8 就可获得Block_layout的属性descriptor,主要是为了查看是否有Block_descriptor_2 和Block_descriptor_3，其中3中有block的签名

  • register read x0，读取寄存器x0
  • po 0x0000000280ad9fb0，打印block
  • x/8gx 0x0000000280ad9fb0 ，即打印block内存情况
  • x/8gx 0x0000000100024010 ， 查看descriptor的内存情况，其中第三个0x0000000100023396表示签名
  • 判断是否有Block_descriptor_2，即flags的BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE（拷贝辅助函数）是否有值
    • p/x 1<<25 ，即1左移25位，其十六进制为0x2000000
    • p 0x02000000 & 0x00000000c1000002 ，即BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE & flags ，等于0,表示没有Block_descriptor_2
  • 判断是否有Block_descriptor_3
  • p/x 1<<30，即1左移30位
  • p 0x40000000 & 0x00000000c1000002 ，即BLOCK_HAS_SIGNATURE & flags ，有值，说明有Block_descriptor_3
  • p (char *)0x000000010089f395 -- 获取Block_descriptor_3中的属性signature签名
  • po [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v8@?0"] ，即打印签名

其中签名的部分说明如下

//无返回值
return value: -------- -------- -------- --------
    type encoding (v) 'v'
    flags {}
    modifiers {}
    frame {offset = 0, offset adjust = 0, size = 0, size adjust = 0}
    memory {offset = 0, size = 0}
argument 0: -------- -------- -------- --------
    //encoding = (@),类型是 @?
    type encoding (@) '@?'
    //@是isObject ，？是isBlock，代表 isBlockObject
    flags {isObject, isBlock}
    modifiers {}
    frame {offset = 0, offset adjust = 0, size = 8, size adjust = 0}
    //所在偏移位置是8字节
    memory {offset = 0, size = 8}

block的签名信息类似于方法的签名信息，主要是体现block的返回值，参数以及类型等信息.

③.6 block三次copy分析

③.6.1 _Block_copy源码分析

进入_Block_copy源码，将block从栈区拷贝至堆区

  • 如果需要释放，则直接释放

    • block的引用计数不受runtime处理的，是由自己管理的

    • 这里可能有个疑问 —— 为什么引用计数是 +2 而不是 +1 ？

    • 因为flags的第一号位置已经存储着释放标记

  • 如果是globalBlock，则不需要copy，直接返回
  • 反之，只有两种情况：栈区block or 堆区block，由于堆区block需要申请空间，前面并没有申请空间的相关代码，所以只能是栈区block
    • 通过malloc申请内存空间用于接收block
    • 通过memmove将block拷贝至新申请的内存中
    • 设置block对象的类型为堆区block，即result->isa = _NSConcreteMallocBlock

③.6.2 _Block_object_assign 分析

想要分析block的三层copy，首先需要知道外部变量的种类有哪些，在__block的cpp文件中，在函数声明时会传__main_block_desc_0_DATA结构体，在里面又会去调用__main_block_copy_0函数，__main_block_copy_0里面会调用_Block_object_assign.

对block修饰其中用的最多的是BLOCK_FIELD_IS_OBJECT和BLOCK_FIELD_IS_BYREF

而_Block_object_assign是在底层编译代码中，外部变量拷贝时调用的方法就是它

进入_Block_object_assign源码

  • 1.如果是普通对象，则交给ARC处理，并拷贝对象指针，即引用计数+1，所以外界变量不能释放
  • 2.如果是block类型的，则通过_Block_copy操作，将block从栈区拷贝到堆区
  • 3.如果是__block修饰的变量，调用_Block_byref_copy函数，进行内存拷贝以及常规处理

此时捕获到的变量是被__block修饰的BLOCK_FIELD_IS_BYREF类型，就会调用*dest = _Block_byref_copy(object);

  • 1.将传入的对象，强转为Block_byref结构体类型对象，保存一份
  • 2.没有将外界变量拷贝到堆，需要申请内存，其进行拷贝
  • 如果已经拷贝过了，则进行处理并返回
  • 其中copy和src的forwarding指针都指向同一片内存，这也是为什么__block修饰的对象具有修改能力的原因
  • (*src2->byref_keep)(copy, src)
    • (*src2->byref_keep)(copy, src)跟进去会来到Block_byref结构来，而byref_keep是Block_byref的第5个属性

代码调试

  • 定义一个__block修饰的NSString对象
  • 进行clang编译结果如下
  • 编译后的cj_name比普通变量多了__Block_byref_id_object_copy_131 和 __Block_byref_id_object_dispose_131
  • __Block_byref_cj_name_0结构体中多了__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose

通过上面的分析，我们可以知道这些方法的执行顺序_Block_copy->_Block_byref_copy->_Block_object_assign,正好对应上述的三层copy

综上所述，那么block是如何拿到cj_name的呢？

  • 1、通过_Block_copy方法，将block拷贝一份至堆区
  • 2、通过_Block_object_assign方法正常拷贝，因为__block修饰的外界变量在底层是Block_byref结构体
  • 3、发现外部变量还存有一个对象，从bref中取出相应对象cj_name，拷贝至block空间，才能使用（相同空间才能使用，不同则不能使用）.最后通过内存平移就得到了cj_name，此时的cj_name 和 外界的cj_name是同一片内存空间（从_Block_object_assign方法中的*dest = object;看出）

三层copy总结
综上所述，block的三层拷贝是指以下三层：

  • 【第一层】通过_Block_copy实现对象的自身拷贝,从栈区拷贝至堆区
  • 【第二层】通过_Block_byref_copy方法，将对象拷贝为Block_byref结构体类型
  • 【第三层】调用_Block_object_assign方法，对__block修饰的当前变量的拷贝

注意：只有__block修饰的对象，block的copy才有三层

③.6.3 _Block_object_dispose 分析

在__Block_byref_id_object_dispose_131实现中调用的就是_Block_object_dispose，下面我们看下_Block_object_dispose的底层实现：

通过源码我们可以知道_Block_object_dispose是进行release操作，通过不同分区的block，进行不同的释放操作.而_Block_object_assign是进行retain操作的.

  • 进入_Block_byref_release源码，主要就是对象、变量的释放销毁
    • 如果是释放对象就什么也不做（自动释放）
    • 如果是__block修饰，就将指向指回原来的区域并使用free释放

③.6.4 总结

  • block的本质是个__main_block_impl_0的结构体对象，所以能用%@打印
  • block声明只是将block实现保存起来，具体的函数实现需要自行调用
  • block捕获外界变量时block结构体会自动生成一个属性来保存变量
  • __block修饰的属性在底层会生成响应的结构体，保存原始变量的指针，并传递一个指针地址给block
  • block中有三层拷贝：拷贝block、拷贝捕获变量的内存地址、拷贝对象

Block的三层copy的流程如下图所示

写在后面

和谐学习,不急不躁.我还是我,颜色不一样的烟火.

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