iOS之武功秘籍 文章匯總

寫在前面

相信大家對block都有一定的了解，日常開發中也經常能看到它的身影.本文會從block概念、blcok循環引用、block底層三方面進行講解

本節可能用到的秘籍Demo

一、Block初探

① block定義

帶有自動變量（局部變量）的匿名函數叫做block，又叫做匿名函數、代碼塊

② block分類

block主要有三種類型

• __NSGlobalBlock__：全局block，存儲在全局區

此時的block無參也無返回值，屬于全局block

• __NSMallocBlock__：堆區block，因為block既是函數，也是對象

此時的block會訪問外界變量，即底層拷貝a，所以是堆區block

• __NSStackBlock__：棧區block

其中局部變量a在沒有處理之前（即沒有拷貝之前）是 棧區block， 處理后（即拷貝之后）是堆區block ，目前的棧區block越來越少了

這個情況下，可以通過__weak不進行強持有，block就還是棧區block

總結:

• block直接存儲在全局區
• 如果block訪問外界變量，并進行block相應拷貝，即copy操作
  • 如果此時的block是強引用，則block存儲在堆區，即堆區block
  • 如果此時的block通過__weak變成了弱引用，則block存儲在棧區，即棧區block

二、Block循環引用

① 循環引用的分析

• 正常釋放：是指A持有B的引用，當A調用dealloc方法，給B發送release信號，B收到release信號，如果此時B的retainCount（即引用計數）為0時，則調用B的dealloc方法

• 循環引用：A、B相互持有，所以導致A無法調用dealloc方法給B發送release信號，而B也無法接收到release信號.所以A、B此時都無法釋放

② 解決循環引用

請問下面兩段代碼有循環引用嗎？

• 代碼一種發生了循環引用，因為在block內部使用了外部變量name，導致block持有了self，而self原本是持有block的，所以導致了self和block的相互持有.
• 代碼二中無循環引用，雖然也使用了外部變量，但是self并沒有持有animation的block，僅僅只有animation持有self，不構成相互持有.

解決循環引用常見的方式有以下幾種:

• 方式①: weak-strong-dance -- 強弱共舞
• 方式②: __block修飾對象（需要注意的是在block內部需要置空對象，而且block必須調用）
• 方式③: 傳遞對象self作為block的參數，提供給block內部使用
• 方式④: 使用NSProxy

②.1 方式①: weak-strong-dance

• 如果block內部并未嵌套block，直接使用__weak修飾self即可

此時的weakSelf和self指向同一片內存空間，且使用__weak不會導致self的引用計數發生變化，可以通過打印weakSelf和self的指針地址，以及self的引用計數來驗證，如下所示

• 如果block內部嵌套block，需要同時使用__weak 和 __strong

其中strongSelf是一個臨時變量，在block的作用域內，即內部block執行完就釋放strongSelf

這種方式屬于打破self對block的強引用，依賴于中介者模式，屬于自動置為nil，即自動釋放

②.2 方式②: __block修飾變量

這種方式同樣依賴于中介者模式，屬于手動釋放，是通過__block修飾對象，主要是因為__block修飾的對象是可以改變的

需要注意的是這里的block必須調用，如果不調用block，vc就不會置空，那么依舊是循環引用，self和block都不會被釋放.

②.3 方式③: 對象self作為參數

主要是將對象self作為參數，提供給block內部使用，不會有引用計數問題

②.4 方式④: NSProxy 虛擬類

• OC是只能單繼承的語言，但是它是基于運行時的機制，所以可以通過NSProxy來實現偽多繼承，填補了多繼承的空白

• NSProxy和NSObject是同級的一個類，也可以說是一個虛擬類，只是實現了NSObject的協議

• NSProxy其實是一個消息重定向封裝的一個抽象類，類似一個代理人，中間件，可以通過繼承它，并重寫下面兩個方法來實現消息轉發到另一個實例

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

使用場景

NSProxy的使用場景主要有兩種

• 實現多繼承功能
• 解決了NSTimer&CADisplayLink創建時對self強引用問題，參考YYKit的YYWeakProxy

循環引用解決原理
主要是通過自定義的NSProxy類的對象來代替self，并使用方法實現消息轉發

下面是NSProxy子類的實現以及使用的場景

• 自定義一個NSProxy的子類CJLProxy

• 自定義TCJCat類和TCJDog類

• 通過TCJProxy實現多繼承功能

• 通過TCJProxy解決定時器中self的強引用問題

②.5 總結

循環應用的解決方式從根本上來說就兩種，以self -> block -> self為例

• 打破self對block的強引用，可以block屬性修飾符使用weak，但是這樣會導致block還每創建完就釋放了，所以從這里打破強引用行不通
• 打破block對self的強引用，主要就是self的作用域和block作用域的通訊，通訊有代理、傳值、通知、傳參等幾種方式，用于解決循環，常見的解決方式如下：
  • weak-strong-dance
  • __block(block內對象置空，且調用block)
  • 將對象self作為block的參數
  • 通過NSProxy的子類代替self

三、Block底層原理

主要是通過clang、斷點調試等方式分析Block底層

③.1 block本質

• 定義block.c文件

• 通過xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch x86_64 -rewrite-objc block.c，將block.c 編譯成 block.cpp，其中block在底層被編譯成了以下的形式

通過簡化我們知道:相當于block等于__main_block_impl_0，是一個函數

• 查看__main_block_impl_0，是一個結構體，同時可以說明block是一個__main_block_impl_0類型的對象，這也是為什么block能夠%@打印的原因.

總結：block的本質是對象、函數、結構體，由于block函數沒有名稱，也被稱為匿名函數或代碼塊

block通過clang編譯后的源碼間的關系如下所示，以__block修飾的變量為例

③.1.1 block為什么需要調用

在底層block的類型為__main_block_impl_0結構體，通過其同名構造函數創建，第一個傳入的block的內部實現代碼塊，即__main_block_func_0，用fp表示，然后賦值給impl的FuncPtr屬性，然后在main中進行了調用，這也是block為什么需要調用的原因.如果不調用，block內部實現的代碼塊將無法執行，可以總結為以下兩點

• 函數聲明：即block內部實現聲明成了一個函數__main_block_func_0
• 執行具體的函數實現：通過調用block的FuncPtr指針，調用block執行

③.1.2 block是如何獲取外界變量的

• 定義一個變量，并在block中調用

• 底層編譯成下面這樣

__main_block_func_0中的a是值拷貝，如果此時在block內部實現中作 a++操作，是有問題的，會造成編譯器的代碼歧義，即此時的a是只讀的.

總結：block捕獲外界變量時，在內部會自動生成同一個屬性來保存

③.1.3 __block的原理

• 對a加一個__block，然后在block中對a進行++操作

• main中的a是通過外界變量封裝的對象
• __main_block_impl_0中，將對象a的地址&a給構造函數
• 在__main_block_func_0內部對a的處理是指針拷貝，此時創建的對象a與傳入對象的a指向同一片內存空間

總結：

• 外界變量通過__block生成__Block_byref_a_0結構體
• 結構體用來保存原始變量的指針和值
• 將變量生成的結構體對象的指針地址傳遞給block，然后在block內部就可以對外界變量進行操作了

上面__block和非__block修飾局部變量產生兩種不同的拷貝

• 非__block修飾：值拷貝 - 深拷貝，只是拷貝數值，且拷貝的值不可更改，指向不同的內存空間，案例中普通變量a就是值拷貝
• __block修飾：指針拷貝 - 淺拷貝，生成的對象指向同一片內存空間，案例中經過__block修飾的變量a就是指針拷貝

③.2 分析block源碼所在位置

• 通過在block處打斷點，分析運行時的block,打開匯編

• 加objc_retainBlock符號斷點，發現會走到_Block_copy

• 加_Block_copy符號斷點，運行斷住，在libsystem_blocks.dylib源碼中

可以到蘋果開源網站下載最新的libclosure-78源碼,通過查看_Block_copy的源碼實現，發現block在底層的真正類型是Block_layout

③.3 Block真正類型 -- Block_layout

查看Block_layout類型的定義，是一個結構體

• isa：指向表明block類型的類
• flags：標識符，按bit位表示一些block的附加信息，類似于isa中的位域，其中flags的種類有以下幾種，主要重點關注BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE 和 BLOCK_HAS_SIGNATURE. BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE 決定是否有 Block_descriptor_2.BLOCK_HAS_SIGNATURE 決定是否有 Block_descriptor_3
  • 第1位: BLOCK_DEALLOCATING，釋放標記，-般常用 BLOCK_NEEDS_FREE 做 位與 操作，一同傳入 Flags ， 告知該 block 可釋放
  • 第16位: BLOCK_REFCOUNT_MASK，存儲引用計數的值;是一個可選用參數
  • 第24位: BLOCK_NEEDS_FREE，第16是否有效的標志，程序根據它來決定是否增加或是減少引用計數位的值;
  • 第25位: BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE，是否擁有拷貝輔助函數(a copy helper function);
  • 第26位: BLOCK_HAS_CTOR，是否擁有 block 析構函數;
  • 第27位: BLOCK_IS_GC,標志是否有垃圾回收;//OS X
  • 第28位: BLOCK_IS_GLOBAL，標志是否是全局block;
  • 第30位: BLOCK_HAS_SIGNATURE，與 BLOCK_USE_STRET 相對，判斷當前 block 是否擁有一個簽名.用于 runtime 時動態調用

• reserved：保留信息，可以理解預留位置，猜測是用于存儲block內部變量信息
• invoke：是一個函數指針，指向block的執行代碼
• descriptor：block的附加信息，比如保留變量數、block的大小、進行copy或dispose的輔助函數指針.有三類
  • Block_descriptor_1是必選的
  • Block_descriptor_2 和 Block_descriptor_3都是可選的

以上關于descriptor的分類可以從其構造函數中體現，其中Block_descriptor_2和Block_descriptor_3都是通過Block_descriptor_1的地址，經過內存平移得到的

③.4 Block內存變化

• 打斷點運行，打開匯編調式,走到objc_retainBlock，block斷點處讀取寄存器x0，此時的block是全局block ，即__NSGlobalBlock__類型

• 增加外部變量a，并在block內打印

此時讀取block斷點處讀取寄存器x0，此時的block是 棧block -- __NSStackBlock__

• 執行到符號斷點objc_retainBlock時，還是棧區block

• 增加_Block_copy符號斷點并斷住，直接在最后的ret加斷點，讀取x0，發現經過_Block_copy之后，變成了堆block，即__NSMallocBlock__，主要是因為block地址發生了改變，為堆block

調用情況

• 同樣也可以通過斷點來驗證
• register read x0 讀取x0，為堆block

• 繼續往下走,register read x9 讀取x9,還是堆block

• 繼續往下register read x11 ，此時是指向一片內存空間，用于存儲_block_invoke

• 按住control + step into，進入 _block_invoke，可以得出是通過內存平移得到的block內部實現

前面提到的Block_layout的結構體源碼,從源碼中可以看出，有個屬性invoke，即block的執行者，是從isa的首地址平移 16字節取到invoke，然后進行調用執行的.

③.5 簽名

繼續操作，讀取x0寄存器,看內存布局,通過 內存平移 3*8 就可獲得Block_layout的屬性descriptor,主要是為了查看是否有Block_descriptor_2 和Block_descriptor_3，其中3中有block的簽名

• register read x0，讀取寄存器x0
• po 0x0000000280ad9fb0，打印block
• x/8gx 0x0000000280ad9fb0 ，即打印block內存情況

• x/8gx 0x0000000100024010 ， 查看descriptor的內存情況，其中第三個0x0000000100023396表示簽名

• 判斷是否有Block_descriptor_2，即flags的BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE（拷貝輔助函數）是否有值
  • p/x 1<<25 ，即1左移25位，其十六進制為0x2000000
  • p 0x02000000 & 0x00000000c1000002 ，即BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE & flags ，等于0,表示沒有Block_descriptor_2

• 判斷是否有Block_descriptor_3
• p/x 1<<30，即1左移30位
• p 0x40000000 & 0x00000000c1000002 ，即BLOCK_HAS_SIGNATURE & flags ，有值，說明有Block_descriptor_3

• p (char *)0x000000010089f395 -- 獲取Block_descriptor_3中的屬性signature簽名

• po [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v8@?0"] ，即打印簽名

其中簽名的部分說明如下

//無返回值
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 = (@),類型是 @?
    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字節
    memory {offset = 0, size = 8}

block的簽名信息類似于方法的簽名信息，主要是體現block的返回值，參數以及類型等信息.

③.6 block三次copy分析

③.6.1 _Block_copy源碼分析

進入_Block_copy源碼，將block從棧區拷貝至堆區

• 如果需要釋放，則直接釋放

  • block的引用計數不受runtime處理的，是由自己管理的

  • 這里可能有個疑問 —— 為什么引用計數是 +2 而不是 +1 ？

  • 因為flags的第一號位置已經存儲著釋放標記

• 如果是globalBlock，則不需要copy，直接返回
• 反之，只有兩種情況：棧區block or 堆區block，由于堆區block需要申請空間，前面并沒有申請空間的相關代碼，所以只能是棧區block
  • 通過malloc申請內存空間用于接收block
  • 通過memmove將block拷貝至新申請的內存中
  • 設置block對象的類型為堆區block，即result->isa = _NSConcreteMallocBlock

③.6.2 _Block_object_assign 分析

想要分析block的三層copy，首先需要知道外部變量的種類有哪些，在__block的cpp文件中，在函數聲明時會傳__main_block_desc_0_DATA結構體，在里面又會去調用__main_block_copy_0函數，__main_block_copy_0里面會調用_Block_object_assign.

對block修飾其中用的最多的是BLOCK_FIELD_IS_OBJECT和BLOCK_FIELD_IS_BYREF

而_Block_object_assign是在底層編譯代碼中，外部變量拷貝時調用的方法就是它

進入_Block_object_assign源碼

• 1.如果是普通對象，則交給ARC處理，并拷貝對象指針，即引用計數+1，所以外界變量不能釋放
• 2.如果是block類型的，則通過_Block_copy操作，將block從棧區拷貝到堆區
• 3.如果是__block修飾的變量，調用_Block_byref_copy函數，進行內存拷貝以及常規處理

此時捕獲到的變量是被__block修飾的BLOCK_FIELD_IS_BYREF類型，就會調用*dest = _Block_byref_copy(object);

• 1.將傳入的對象，強轉為Block_byref結構體類型對象，保存一份
• 2.沒有將外界變量拷貝到堆，需要申請內存，其進行拷貝
• 如果已經拷貝過了，則進行處理并返回
• 其中copy和src的forwarding指針都指向同一片內存，這也是為什么__block修飾的對象具有修改能力的原因
• (*src2->byref_keep)(copy, src)
  • (*src2->byref_keep)(copy, src)跟進去會來到Block_byref結構來，而byref_keep是Block_byref的第5個屬性

代碼調試

• 定義一個__block修飾的NSString對象

• 進行clang編譯結果如下
• 編譯后的cj_name比普通變量多了__Block_byref_id_object_copy_131 和 __Block_byref_id_object_dispose_131
• __Block_byref_cj_name_0結構體中多了__Block_byref_id_object_copy和__Block_byref_id_object_dispose

通過上面的分析，我們可以知道這些方法的執行順序_Block_copy->_Block_byref_copy->_Block_object_assign,正好對應上述的三層copy

綜上所述，那么block是如何拿到cj_name的呢？

• 1、通過_Block_copy方法，將block拷貝一份至堆區
• 2、通過_Block_object_assign方法正常拷貝，因為__block修飾的外界變量在底層是Block_byref結構體
• 3、發現外部變量還存有一個對象，從bref中取出相應對象cj_name，拷貝至block空間，才能使用（相同空間才能使用，不同則不能使用）.最后通過內存平移就得到了cj_name，此時的cj_name 和 外界的cj_name是同一片內存空間（從_Block_object_assign方法中的*dest = object;看出）

三層copy總結
綜上所述，block的三層拷貝是指以下三層：

• 【第一層】通過_Block_copy實現對象的自身拷貝,從棧區拷貝至堆區
• 【第二層】通過_Block_byref_copy方法，將對象拷貝為Block_byref結構體類型
• 【第三層】調用_Block_object_assign方法，對__block修飾的當前變量的拷貝

注意：只有__block修飾的對象，block的copy才有三層

③.6.3 _Block_object_dispose 分析

在__Block_byref_id_object_dispose_131實現中調用的就是_Block_object_dispose，下面我們看下_Block_object_dispose的底層實現：

通過源碼我們可以知道_Block_object_dispose是進行release操作，通過不同分區的block，進行不同的釋放操作.而_Block_object_assign是進行retain操作的.

• 進入_Block_byref_release源碼，主要就是對象、變量的釋放銷毀
  • 如果是釋放對象就什么也不做（自動釋放）
  • 如果是__block修飾，就將指向指回原來的區域并使用free釋放
    

③.6.4 總結

• block的本質是個__main_block_impl_0的結構體對象，所以能用%@打印
• block聲明只是將block實現保存起來，具體的函數實現需要自行調用
• block捕獲外界變量時block結構體會自動生成一個屬性來保存變量
• __block修飾的屬性在底層會生成響應的結構體，保存原始變量的指針，并傳遞一個指針地址給block
• block中有三層拷貝：拷貝block、拷貝捕獲變量的內存地址、拷貝對象

Block的三層copy的流程如下圖所示

寫在后面

和諧學習,不急不躁.我還是我,顏色不一樣的煙火.