iOS Block(1)-底层原理探索、block的类型和copy

1. block的本质

我们通过一个简单的demo,解析一下block的底层原理.
定义一个简单的block并调用：

#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ^(){
            NSLog(@"Hello world, I'm block!");
        }();
    }
    return 0;
}## 1\. block的本质

我们通过一个简单的demo,解析一下block的底层原理.
定义一个简单的block并调用：

import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
^(){
NSLog(@"Hello world, I'm block!");
}();
}
return 0;
}


将OC代码转换成C++代码

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

struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);

    }

static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;

    ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))();

}
return 0;

}

//我们OC下的block相关代码
^(){
NSLog(@"Hello world, I'm block!");
}();

装换成的C++代码就是：
((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))();


block的调用实际上就是`__main_block_impl_0`这个结构体，结构体实现如下:


`__main_block_impl_0`结构体内部有一个与结构体同名的`__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)`函数，这是C++结构体的写法，该函数为结构体的构造函数，相当于OC类中的`- (instancetype)init;`方法。`__main_block_impl_0`函数携带三个参数，最后一个参数为可选的，默认值为0。再看结构体`__main_block_impl_0`，发现其第一个成员imp也是个结构体，结构体类型为`__block_impl`。

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


通过结构体`__block_impl`实现代码中的isa指针，显而易见这是个对象，因此可以准确地说block的本质是一个OC对象。结构体的第二个成员仍然是个`__main_block_desc_0`类型的结构体.

static struct __main_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
}


该结构体两个成员一个是系统的保留值reserved = 0，另一个Block_size则代表了该block的大小。
接下来回到block的调用函数`__main_block_impl_0`,`((void (*)())&__main_block_impl_0((void*)__main_block_func_0,&__main_block_desc_0_DATA))();`该函数就是结构体`__main_block_impl_0`的构造函数`__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)`，它有两个必传的参数，一个是函数指针fp ,一个是结构体指针desc，关于结构体指针所指向的结构体就是上面分析到的`__main_block_desc_0`,那么第一个参数函数指针fp到底是什么？在这个demo的C++实现代码中，fp指向的函数为`__main_block_func_0`，`__main_block_func_0`的函数实现代码如下：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
{
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);
}


由于在OC代码中，我们block体内打印了一个字符串，与这个`__main_block_func_0`函数内的代码完全一致。研究发现`__main_block_func_0`这个函数的作用就是将block体内的代码封装成一个函数，也就是说block体内的所有OC代码被封装成`__main_block_func_0`这个函数。与我们OC中的代码`NSLog(@"Hello world, I'm block!");`相对应的就是`NSLog((NSString*)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);`.
通过上面的分析，可以肯定的是block本质上也是一个OC对象，它内部也有一个isa指针，block还是一个封装了函数的调用的OC对象。

## 2\. block的变量捕获（capture）

#### 一. 局部变量之auto变量

什么是auto变量？局部变量有哪几种？
所谓的auto变量就是非静态的局部变量，离开作用于就会销毁。例如下面这个函数：

(void)example{
int a = 5; //等价于auto int a = 5;
NSString *name = @"Block"; //等价于 auto NSString *name = @"Block";
static int b = 10; //这个b就不是auto变量
}


常识小结：通常情况下我们定义的局部非static变量都是auto变量，系统会默认在前面加上auto关键字的；但是静态局部变量就不会有auto前缀，加了也会由于报错而编译不通过。
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，这个变量捕获机制之后block变成什么样子?：

//demoA

import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

    int a = 10;
    Block block = ^(){
        NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
    };

    a = 20;
    block();

// 2018-08-28 21:34:33.276996+0800 Interview03-block[99340:9151961] 你好世界！a = : 10 ;

}
return 0;

}


上面demo，block内部访问局部变量a的值，后面在调用block之前修改了a的值，但是打印出来的a的结果仍然为修改之前的值,将上边的代码转换成C++代码:

typedef void(*Block)(void);

struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
int a;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
int a = __cself->a; // bound by copy

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_09a2a6_mi_0,a);
    }

    int a = 10;

    Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));

    a = 20;
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);

}
return 0;

}


对比之前没有访问任何变量的block结构体，此时的block所对应的结构体`__main_block_impl_0`里面多了一个成员`int a`，并且结构体的构造函数`__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a)`多出了一个参数`_a`，（知识点：后面的: `a(_a)`为C++的语法，意为将参数`_a`赋值给成员`a`）。
在实现block的时候，对应的C++代码为`Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,&__main_block_desc_0_DATA, a));`可见，系统将`a`作为函数`__main_block_impl_0`的参数传递进去，所以block所对应的结构体中`int a；`这个成员所对应的值`a = 10;`后面我们修改了`a`的值为20，并使用`block();`调用block 打印`a`的值，这个时候调用了函数`__main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)`，实现如下：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
int a = __cself->a; // bound by copy
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_09a2a6_mi_0,a);
}


其内部访问变量`a`的方式为：`int a = __cself->a;__cself`为block所对应的结构体对象，所以这个`a`也就是之前结构体`__main_block_impl_0`中保存的成员变量`a`的值，即为10，而不是后面修改的20。针对这个问题，我的看法是block在调用的时候，其实此时`main()`函数中的`a`变量相对于block来说是个外部的变量，因为block对应的结构体内部有自己的变量`a`，外面怎么修改不会影响到block结构体内部成员`a`的值。

#### 二. 局部变量之static变量

根据demoA，我们在demoB中中block内部增加访问静态的局部变量static int b以及修改a、b变量的值后，调用block打印的结果：

//demoB

import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

    auto NSString *name = @"Block";
    int a = 10;
    static int b = 10;
    Block block = ^(){
        NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
        NSLog(@"你好世界！b = : %d ;",b);
    };

    a = 20;
    b = 20;
    block();

// 2018-08-28 23:16:53.244791+0800 Interview03-block[861:9731638] 你好世界！a = : 10 ;
// 2018-08-28 23:16:53.245153+0800 Interview03-block[861:9731638] 你好世界！b = : 20 ;

}
return 0;

}


发现局部静态变量b修改之后，block内部打印的结果也变了!
局部变量a的访问过程demoA已经分析过了，接下来仍旧通过C++代码研究局部静态变量b的捕获过程：

typedef void(*Block)(void);

struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
int a;
int *b;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int *_b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
int a = __cself->a; // bound by copy
int *b = __cself->b; // bound by copy

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_0b7d13_mi_0,a);
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_0b7d13_mi_1,(*b));
    }

    int a = 10;
    static int b = 10;
    Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b));

    a = 20;
    b = 20;
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);

}
return 0;

}


通过C++代码发现，局部自动变量`a`与静态变量`b`的捕获方式不同，block结构体中，`a`为`int`变量，`b`为`int *`变量，也就是指针。在定义block的时候，`Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void*)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b))`，传递的也是`b`变量的指针，调用block的时候，`__main_block_func_0`中获取`b`也是通过block的结构体`__main_block_impl_0`访问内部成员变量`b`，与结构体外部变量`b`指向的是同一块内存地址，所以只要有地方修改`b`，结构体内部也会跟随变化，这样就解释了为啥“同样修改了局部auto变量与局部static变量，block访问的结果不同”。
总而言之：在block内部访问的auto变量为值传递，局部静态变量为引用传递（也就是传递变量的指针）。

#### 三. 全局变量

\demoB

import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int age_ = 25;

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

    int a = 10;
    static int b = 10;
    Block block = ^(){
        NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
        NSLog(@"你好世界！b = : %d ;",b);
        NSLog(@"你好世界！age_ = : %d ;",age_);
    };

    a = 20;
    b = 20;
    age_ = 26;
    block();

// 2018-08-29 00:54:13.318712+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！a = : 10 ;
// 2018-08-29 00:54:13.319099+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！b = : 20 ;
// 2018-08-29 00:54:13.319130+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！age_ = : 26 ;

}
return 0;

}


block内部访问全局变量`age_`，其变化同静态局部变量一样。同样转换成C++代码分析：

typedef void(*Block)(void);

int age_ = 25;

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_0,a);
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_1,(*b));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_2,age_);
    }

    int a = 10;
    static int b = 10;
    Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b));

    a = 20;
    b = 20;
    age_ = 26;
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;

}


较demoA、demoB不同的是，block结构体内部没有定义`age_`变量，block内部访问`age_`变量的时候，传入的也是全局的`age_`，因此在任何地方改变这个全局变量，block访问的时候都是这个全局变量的最新值。
通过demoA\B\C，可以肯定对于局部auto变量、static变量、全局变量，block的变量捕获情况如下：

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-d14764dd87e401c1.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/800/format/webp)

分析了block对自动变量，static变量与全局变量的捕获方式的不同，我认为合理的解释是：自动变量，内存可能会销毁，将来执行block的时候，访问变量的内存，可能会因为不存在引发坏内存访问。
静态局部变量：static变量内存一直会保存在内存中，所以可以取它的最新值，也就是通过指针去取。

## 3\. block的类型

> block有3种类型，可以通过调用class方法或者isa指针查看具体类型，最终都是继承自NSBlock类型.
> `__NSGlobalBlock__ （ _NSConcreteGlobalBlock ）`
> `__NSStackBlock__ （ _NSConcreteStackBlock ）`
> `__NSMallocBlock__ （ _NSConcreteMallocBlock ）`

我们通过关键字可以知道这三种类型block分别存放在内存的全局区、栈区、堆区，在内存中对应的区域图示如下：

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-3cd2f60c31f3c48b.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/835/format/webp)

> 程序区域存放的就是我们写的代码，比如一个Person类里面的代码。
> 数据区也就全局区，存放着程序中使用到的全局变量。
> 堆存放的就是我们新建的对象。如[[Person alloc] init]出来的，这部分内存需要我们手动释放。
> 栈区存放的就是自动变量，一般在函数调用之后，这些自动变量所占用内存也就被系统回收了。
> `补充的知识`
> 堆是动态分配内存的,是程序员管理的,自己申请内存,自己管理内存.
> 栈是系统会自动分配内存,自己释放内存.

由于在ARC环境下，编译器为我们做了很多额外的工作，比如将栈区的block copy到堆区，我们在ARC下也就不容易捕获到block初始状态的位置。所以暂时将开发环境切换至MRC下：

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-1a92da1ae183263e.jpg?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/900/format/webp)

在MRC下，定义两个block，一个访问auto变量，一个不访问auto变量，最后对访问auto变量的block调用copy方法，依次查看三种情况下block所对应的类型如下：

import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int age_ = 25;

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {

    int a = 10;
    static int b = 10;
    Block block = ^(){
        NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
    };

    Block block1 = ^(){
        NSLog(@"你好世界");
    };
    NSLog(@"%@  %@  %@",[block class],[block1 class],[[block copy] class]);

// NSStackBlock NSGlobalBlock NSMallocBlock

}
return 0;

}


访问了auto变量的block在栈区，不访问auto变量的block在全局区。对栈区的block调用copy方法，block居然移到了堆区！后面我们对全局区的block调用copy，发现全局区域的block仍旧在全局区。

| block类型 | 环境 |
| --- | --- |
| **NSGlobalBlock** | 没有访问auto变量 |
| **NSStackBlock** | 访问了auto变量 |
| **NSMallocBlock** | **NSStackBlock**调用了copy |

stackBlock为什么要copy到堆上,因为我们想把block存储的东西保存下来.栈上的block会在函数结束的时候释放,block保存的东西不确定,我们一般都是将block保存下来,在恰当的时候调用.

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-a7837ac562e8388d.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/600/format/webp)

## 4\. 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,有以下情况:
> 
> 1.  block作为函数返回值的时.
> 2.  将block赋值给_strong指针时.
> 3.  block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时.(例如:[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) { }];)
> 4.  block作为GCD API的方法参数时

> *   MRC下block属性的建议写法
>     @property (copy, nonatomic) void (^block)(void);
> *   ARC下block属性的建议写法
>     @property (strong, nonatomic) void (^block)(void);
>     @property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

那么问题来了,为什么要对block进行copy操作？
假如在MRC环境下，在某个函数内定义了一个block变量，并在block中访问了局部变量，但是并没有立即调用该block。后面等到调用该函数的时候，再调用block，看下面的demo：

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-bd591b829e96796c.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/693/format/webp)

调用block后，block内部访问的局部变量打印的结果很糟糕，程序倒是没奔溃，但是结果不如人所愿。
出现这种情况的原因很好理解：由于这个block访问了auto变量，因此是一个`NSStackBlock`类型的block，该block对应的结构体分配在栈内存上，等到`test()`函数调用完毕，栈内存会被回收，所以block被调用的时候，访问block结构体内部的变量`a`,`a`所对应的内存区域随时可能被系统回收，其内存上的数据也是不确定的。
这种情况该如何保证我们调用block的时候，还能正常访问局部变量呢？正如前面列出的，调用`copy`方法将block从栈区`copy`到堆区，事情就解决了。【当然，换成ARC环境，我们通常在声明block属性的时候，使用`copy` 或`strong`关键词修饰，系统也会自动帮我们将block从栈区拷贝到堆区。也就无需我们动手调用block的`copy`方法了。但是系统底层还是帮我们对block做了`copy`操作。

![image](//upload-images.jianshu.io/upload_images/6323922-54180f146c543bf6.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/597/format/webp)

"copy"这个操作在ARC下是没有必要的。由于我们的block赋值给了`void(^block)(void)`，这个变量默认是`__strong`修饰的，满足编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上的条件2，即"将block赋值给`__strong`指针时"。

作者：周灬
链接：https://www.jianshu.com/p/9441de6295a0
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

将OC代码转换成C++代码

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

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);

        }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))();

    }
    return 0;
}

//我们OC下的block相关代码
 ^(){
        NSLog(@"Hello world, I'm block!");
    }();

装换成的C++代码就是：
   ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA))();

block的调用实际上就是__main_block_impl_0这个结构体，结构体实现如下:

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

__main_block_impl_0结构体内部有一个与结构体同名的__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)函数，这是C++结构体的写法，该函数为结构体的构造函数，相当于OC类中的- (instancetype)init;方法。__main_block_impl_0函数携带三个参数，最后一个参数为可选的，默认值为0。再看结构体__main_block_impl_0，发现其第一个成员imp也是个结构体，结构体类型为__block_impl。

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

通过结构体__block_impl实现代码中的isa指针，显而易见这是个对象，因此可以准确地说block的本质是一个OC对象。结构体的第二个成员仍然是个__main_block_desc_0类型的结构体.

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
}

该结构体两个成员一个是系统的保留值reserved = 0，另一个Block_size则代表了该block的大小。
接下来回到block的调用函数__main_block_impl_0,((void (*)())&__main_block_impl_0((void*)__main_block_func_0,&__main_block_desc_0_DATA))();该函数就是结构体__main_block_impl_0的构造函数__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)，它有两个必传的参数，一个是函数指针fp ,一个是结构体指针desc，关于结构体指针所指向的结构体就是上面分析到的__main_block_desc_0,那么第一个参数函数指针fp到底是什么？在这个demo的C++实现代码中，fp指向的函数为__main_block_func_0，__main_block_func_0的函数实现代码如下：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) 
{
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);
}

由于在OC代码中，我们block体内打印了一个字符串，与这个__main_block_func_0函数内的代码完全一致。研究发现__main_block_func_0这个函数的作用就是将block体内的代码封装成一个函数，也就是说block体内的所有OC代码被封装成__main_block_func_0这个函数。与我们OC中的代码NSLog(@"Hello world, I'm block!");相对应的就是NSLog((NSString*)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_a2e15e_mi_0);.
通过上面的分析，可以肯定的是block本质上也是一个OC对象，它内部也有一个isa指针，block还是一个封装了函数的调用的OC对象。

2. block的变量捕获（capture）

一. 局部变量之auto变量

什么是auto变量？局部变量有哪几种？
所谓的auto变量就是非静态的局部变量，离开作用于就会销毁。例如下面这个函数：

- (void)example{
   int a = 5;  //等价于auto int a = 5;
   NSString *name = @"Block"; //等价于 auto NSString *name = @"Block";
   static int b = 10;  //这个b就不是auto变量
}

常识小结：通常情况下我们定义的局部非static变量都是auto变量，系统会默认在前面加上auto关键字的；但是静态局部变量就不会有auto前缀，加了也会由于报错而编译不通过。
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，这个变量捕获机制之后block变成什么样子?：

//demoA
#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        int a = 10;
        Block block = ^(){
            NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
        };

        a = 20;
        block();
//        2018-08-28 21:34:33.276996+0800 Interview03-block[99340:9151961] 你好世界！a = : 10 ;

    }
    return 0;
}

上面demo，block内部访问局部变量a的值，后面在调用block之前修改了a的值，但是打印出来的a的结果仍然为修改之前的值,将上边的代码转换成C++代码:

typedef void(*Block)(void);

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_09a2a6_mi_0,a);
        }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        int a = 10;

        Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a));

        a = 20;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);

    }
    return 0;
}

对比之前没有访问任何变量的block结构体，此时的block所对应的结构体__main_block_impl_0里面多了一个成员int a，并且结构体的构造函数__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a)多出了一个参数_a，（知识点：后面的: a(_a)为C++的语法，意为将参数_a赋值给成员a）。
在实现block的时候，对应的C++代码为Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0,&__main_block_desc_0_DATA, a));可见，系统将a作为函数__main_block_impl_0的参数传递进去，所以block所对应的结构体中int a；这个成员所对应的值a = 10;后面我们修改了a的值为20，并使用block();调用block 打印a的值，这个时候调用了函数__main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)，实现如下：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_09a2a6_mi_0,a);
 }

其内部访问变量a的方式为：int a = __cself->a;__cself为block所对应的结构体对象，所以这个a也就是之前结构体__main_block_impl_0中保存的成员变量a的值，即为10，而不是后面修改的20。针对这个问题，我的看法是block在调用的时候，其实此时main()函数中的a变量相对于block来说是个外部的变量，因为block对应的结构体内部有自己的变量a，外面怎么修改不会影响到block结构体内部成员a的值。

二. 局部变量之static变量

根据demoA，我们在demoB中中block内部增加访问静态的局部变量static int b以及修改a、b变量的值后，调用block打印的结果：

//demoB
#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        auto NSString *name = @"Block";
        int a = 10;
        static int b = 10;
        Block block = ^(){
            NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
            NSLog(@"你好世界！b = : %d ;",b);
        };

        a = 20;
        b = 20;
        block();
//        2018-08-28 23:16:53.244791+0800 Interview03-block[861:9731638] 你好世界！a = : 10 ;
//        2018-08-28 23:16:53.245153+0800 Interview03-block[861:9731638] 你好世界！b = : 20 ;

    }
    return 0;
}

发现局部静态变量b修改之后，block内部打印的结果也变了!
局部变量a的访问过程demoA已经分析过了，接下来仍旧通过C++代码研究局部静态变量b的捕获过程：

typedef void(*Block)(void);

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  int *b;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int *_b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy
  int *b = __cself->b; // bound by copy

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_0b7d13_mi_0,a);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_0b7d13_mi_1,(*b));
        }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        int a = 10;
        static int b = 10;
        Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b));

        a = 20;
        b = 20;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);

    }
    return 0;
}

通过C++代码发现，局部自动变量a与静态变量b的捕获方式不同，block结构体中，a为int变量，b为int *变量，也就是指针。在定义block的时候，Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void*)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b))，传递的也是b变量的指针，调用block的时候，__main_block_func_0中获取b也是通过block的结构体__main_block_impl_0访问内部成员变量b，与结构体外部变量b指向的是同一块内存地址，所以只要有地方修改b，结构体内部也会跟随变化，这样就解释了为啥“同样修改了局部auto变量与局部static变量，block访问的结果不同”。
总而言之：在block内部访问的auto变量为值传递，局部静态变量为引用传递（也就是传递变量的指针）。

三. 全局变量

\\demoB
#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int age_ = 25;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        int a = 10;
        static int b = 10;
        Block block = ^(){
            NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
            NSLog(@"你好世界！b = : %d ;",b);
            NSLog(@"你好世界！age_ = : %d ;",age_);
        };

        a = 20;
        b = 20;
        age_ = 26;
        block();
//        2018-08-29 00:54:13.318712+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！a = : 10 ;
//        2018-08-29 00:54:13.319099+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！b = : 20 ;
//        2018-08-29 00:54:13.319130+0800 Interview03-block[2155:10283110] 你好世界！age_ = : 26 ;

    }
    return 0;
}

block内部访问全局变量age_，其变化同静态局部变量一样。同样转换成C++代码分析：

typedef void(*Block)(void);

int age_ = 25;

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int a;
  int *b;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int *_b, int flags=0) : a(_a), b(_b) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy
  int *b = __cself->b; // bound by copy

            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_0,a);
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_1,(*b));
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__6_s9x0n6313d99yqk5pltzp6ym0000gn_T_main_d8c19f_mi_2,age_);
        }

static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        int a = 10;
        static int b = 10;
        Block block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a, &b));

        a = 20;
        b = 20;
        age_ = 26;
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

较demoA、demoB不同的是，block结构体内部没有定义age_变量，block内部访问age_变量的时候，传入的也是全局的age_，因此在任何地方改变这个全局变量，block访问的时候都是这个全局变量的最新值。
通过demoA\B\C，可以肯定对于局部auto变量、static变量、全局变量，block的变量捕获情况如下：

image

分析了block对自动变量，static变量与全局变量的捕获方式的不同，我认为合理的解释是：自动变量，内存可能会销毁，将来执行block的时候，访问变量的内存，可能会因为不存在引发坏内存访问。
静态局部变量：static变量内存一直会保存在内存中，所以可以取它的最新值，也就是通过指针去取。

3. block的类型

block有3种类型，可以通过调用class方法或者isa指针查看具体类型，最终都是继承自NSBlock类型.
__NSGlobalBlock__ （ _NSConcreteGlobalBlock ）
__NSStackBlock__ （ _NSConcreteStackBlock ）
__NSMallocBlock__ （ _NSConcreteMallocBlock ）

我们通过关键字可以知道这三种类型block分别存放在内存的全局区、栈区、堆区，在内存中对应的区域图示如下：

image

程序区域存放的就是我们写的代码，比如一个Person类里面的代码。
数据区也就全局区，存放着程序中使用到的全局变量。
堆存放的就是我们新建的对象。如[[Person alloc] init]出来的，这部分内存需要我们手动释放。
栈区存放的就是自动变量，一般在函数调用之后，这些自动变量所占用内存也就被系统回收了。
补充的知识
堆是动态分配内存的,是程序员管理的,自己申请内存,自己管理内存.
栈是系统会自动分配内存,自己释放内存.

由于在ARC环境下，编译器为我们做了很多额外的工作，比如将栈区的block copy到堆区，我们在ARC下也就不容易捕获到block初始状态的位置。所以暂时将开发环境切换至MRC下：

image

在MRC下，定义两个block，一个访问auto变量，一个不访问auto变量，最后对访问auto变量的block调用copy方法，依次查看三种情况下block所对应的类型如下：

#import <Foundation/Foundation.h>

typedef void(^Block)(void);

int age_ = 25;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        int a = 10;
        static int b = 10;
        Block block = ^(){
            NSLog(@"你好世界！a = : %d ;",a);
        };

        Block block1 = ^(){
            NSLog(@"你好世界");
        };
        NSLog(@"%@  %@  %@",[block class],[block1 class],[[block copy] class]);

//         __NSStackBlock__  __NSGlobalBlock__  __NSMallocBlock__

    }
    return 0;
}

访问了auto变量的block在栈区，不访问auto变量的block在全局区。对栈区的block调用copy方法，block居然移到了堆区！后面我们对全局区的block调用copy，发现全局区域的block仍旧在全局区。

block类型	环境
NSGlobalBlock	没有访问auto变量
NSStackBlock	访问了auto变量
NSMallocBlock	NSStackBlock调用了copy

stackBlock为什么要copy到堆上,因为我们想把block存储的东西保存下来.栈上的block会在函数结束的时候释放,block保存的东西不确定,我们一般都是将block保存下来,在恰当的时候调用.

image

4. 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,有以下情况:

block作为函数返回值的时.

将block赋值给_strong指针时.

block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时.(例如:[array enumerateObjectsUsingBlock:^(id _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) { }];)

block作为GCD API的方法参数时

MRC下block属性的建议写法
@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

ARC下block属性的建议写法
@property (strong, nonatomic) void (^block)(void);
@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

那么问题来了,为什么要对block进行copy操作？
假如在MRC环境下，在某个函数内定义了一个block变量，并在block中访问了局部变量，但是并没有立即调用该block。后面等到调用该函数的时候，再调用block，看下面的demo：

image

调用block后，block内部访问的局部变量打印的结果很糟糕，程序倒是没奔溃，但是结果不如人所愿。
出现这种情况的原因很好理解：由于这个block访问了auto变量，因此是一个NSStackBlock类型的block，该block对应的结构体分配在栈内存上，等到test()函数调用完毕，栈内存会被回收，所以block被调用的时候，访问block结构体内部的变量a,a所对应的内存区域随时可能被系统回收，其内存上的数据也是不确定的。
这种情况该如何保证我们调用block的时候，还能正常访问局部变量呢？正如前面列出的，调用copy方法将block从栈区copy到堆区，事情就解决了。【当然，换成ARC环境，我们通常在声明block属性的时候，使用copy 或strong关键词修饰，系统也会自动帮我们将block从栈区拷贝到堆区。也就无需我们动手调用block的copy方法了。但是系统底层还是帮我们对block做了copy操作。

image

"copy"这个操作在ARC下是没有必要的。由于我们的block赋值给了void(^block)(void)，这个变量默认是__strong修饰的，满足编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上的条件2，即"将block赋值给__strong指针时"。

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iOS Block(1)-底层原理探索、block的类型和copy

1. block的本质

import <Foundation/Foundation.h>

import <Foundation/Foundation.h>

import <Foundation/Foundation.h>

import <Foundation/Foundation.h>

import <Foundation/Foundation.h>

2. block的变量捕获（capture）

一. 局部变量之auto变量

二. 局部变量之static变量

三. 全局变量

3. block的类型

4. block的copy

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