Block是C語言的擴(kuò)充功能，是帶有自動變量的匿名函數(shù)。block 將同一邏輯的代碼放在一個塊，使代碼更簡潔緊湊，易于閱讀，比函數(shù)使用更方便，代碼更美觀，開發(fā)中受到廣泛的使用。

block 的底層實(shí)現(xiàn)

將main.m中的代碼通過clang編譯成main.cpp代碼:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // insert code here...
    void (^blk)(void) = ^{ printf("FlyElephant---Block\n"); };
    blk();
    return 0;
}

main.cpp代碼：

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) {
 printf("FlyElephant---Block\n"); }

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[]) {

    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

block通過__main_block_impl_0初始化，后序工作通過 __block_impl ，__main_block_desc_0實(shí)現(xiàn)。

__block_impl

__block_impl結(jié)構(gòu)體代碼如下：

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

isa 指向?qū)嵗龑ο螅琤lock 本身也是一個 Objective-C 對象。block 的三種類型：_NSConcreteStackBlock、_NSConcreteGlobalBlock、_NSConcreteMallocBlock，即當(dāng)代碼執(zhí)行時，isa 有三種取值：

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; 
impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock; 
impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;

Flags 按位承載 block 的附加信息；
Reserved 保留變量；
FuncPtr 函數(shù)指針，指向 Block 要執(zhí)行的函數(shù)
以上的四個字段均在初始化的時候完成：

  __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;
  }

其中FuncPtr指針指向的block函數(shù)：

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
 printf("FlyElephant---Block\n"); }

__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;
  }
};

impl block 實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體變量；
Desc 描述 block 的結(jié)構(gòu)體變量；
__main_block_impl_0 結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造函數(shù)，初始化結(jié)構(gòu)體變量 impl、Desc；

__main_block_desc_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)};

reserved 結(jié)構(gòu)體信息保留字段
Block_size 結(jié)構(gòu)體大小

整個實(shí)現(xiàn)過程就是初始化__main_block_impl_0，返回impl，執(zhí)行impl->FuncPtr.

block 捕獲外部變量

int main(int argc, const char * argv[]) {
    // insert code here...
    int localValue = 1;
    void (^blk)(void) = ^{ printf("FlyElephant = %d\n", localValue); };
    blk();
    return 0;
}

block捕獲外部變量編譯之后的cpp代碼如下：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  int localValue;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _localValue, int flags=0) : localValue(_localValue) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  int localValue = __cself->localValue; // bound by copy
 printf("FlyElephant = %d\n", localValue); }

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[]) {

    int localValue = 1;
    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, localValue));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
    return 0;
}

__block_impl定義不變：

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

block通過參數(shù)傳遞獲取到了localValue，保存到結(jié)構(gòu)體中的同名變量中。賦值的時候通過__cself來賦值：

 int localValue = __cself->localValue; // bound by copy

不過暫時還不能還不能修改值，如果修改localValue會報錯：

Variable is not assignable (missing __block type specifier)

內(nèi)存區(qū)域

討論block的存儲區(qū)域我們先了解一下C/C++編譯的程序在內(nèi)存中的分布情況 :

1.棧區(qū)（stack）— 程序運(yùn)行時由編譯器自動分配，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。程序結(jié)束時由編譯器自動釋放。

2.堆區(qū)（heap） — 在內(nèi)存開辟另一塊存儲區(qū)域。一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是不一樣，分配方式類似于鏈表。用malloc, calloc, realloc等分配內(nèi)存的函數(shù)分配得到的就是在堆上。

3.全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—編譯器編譯時即分配內(nèi)存。全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的。對于C語言初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域，未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。而C++則沒有這個區(qū)別 - 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

4.文字常量區(qū) —常量字符串就是放在這里的。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放

5.程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。

block訪問變量有兩種方式一種是靜態(tài)變量，全局變量和__block形式。

靜態(tài)變量，全局變量

block使用靜態(tài)變量，全局變量，全局靜態(tài)變量代碼：

int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    // insert code here...
    static int static_val = 3;
    void(^blk)(void) = ^ {
        global_val = 2;
        static_global_val = 3;
        static_val = 4;
    };
    return 0;
}

編譯之后的代碼：

int global_val = 1;
static int static_global_val = 2;

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

        global_val = 2;
        static_global_val = 3;
        (*static_val) = 4;
    }

對靜態(tài)全局變量和全局變量訪問和轉(zhuǎn)換之前一樣，對靜態(tài)變量的方式是將指針保存了起來。block對于其自動變量而言沒有將指針保存起來，是因?yàn)樽詣幼兞?局部變量)超出其作用域之后就會被廢棄。

__block

通過__block看下代碼：

    __block int localValue = 0;
    void (^blk)(void) = ^{
        localValue = 1;
    };

編譯之后代碼：

struct __Block_byref_localValue_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_localValue_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int localValue;
};

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_localValue_0 *localValue; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_localValue_0 *_localValue, int flags=0) : localValue(_localValue->__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_localValue_0 *localValue = __cself->localValue; // bound by ref

        (localValue->__forwarding->localValue) = 1;
    }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->localValue, (void*)src->localValue, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->localValue, 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 = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {

    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_localValue_0 localValue = {(void*)0,(__Block_byref_localValue_0 *)&localValue, 0, sizeof(__Block_byref_localValue_0), 0};
    void (*blk)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_localValue_0 *)&localValue, 570425344));
    return 0;
}

相對之前的代碼多了不少代碼，主要新增代碼：

__Block_byref_localValue_0 結(jié)構(gòu)體：用于封裝 __block 修飾的外部變量。
_Block_object_assign 函數(shù)：當(dāng) block 從棧拷貝到堆時，調(diào)用此函數(shù)。
_Block_object_dispose 函數(shù)：當(dāng) block 從堆內(nèi)存釋放時，調(diào)用此函數(shù)。

OC源碼中的 __block localValue 翻譯后變成了 __Block_byref_intValue_0 結(jié)構(gòu)體指針變量 intValue，通過指針傳遞到 block 內(nèi)，與靜態(tài)變量的指針傳遞是一致的。__Block_byref_intValue_0 這個結(jié)構(gòu)體的字段需要注意：

struct __Block_byref_localValue_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_localValue_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int localValue;
};

__block變量結(jié)構(gòu)體.png

結(jié)構(gòu)體里面還多了個 __forwarding 指向自己的指針變量，這與block的類型有關(guān)系。

block類型

block 有三種類型 NSConcreteGlobalBlock，NSConcreteStackBlock和NSConcreteMallocBlock。

NSConcreteGlobalBlock

_NSConcreteGlobalBlock 類型的 block 處于內(nèi)存的 ROData 段，不捕獲局部變量，運(yùn)行不依賴上下文，內(nèi)存管理比較簡單。

*block 字面量寫在全局作用域時，編譯之后也是_NSConcreteGlobalBlock類型。

void (^blk)(void) = ^{ printf("Global Block\n"); };
int main(int argc, const char * argv[]) {
    blk();
    return 0;
}

struct __blk_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __blk_block_desc_0* Desc;
  __blk_block_impl_0(void *fp, struct __blk_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __blk_block_func_0(struct __blk_block_impl_0 *__cself) {
 printf("Global Block\n"); }

NSConcreteStackBlock

NSConcreteStackBlock 類型的 block 處于內(nèi)存的棧區(qū)。global block 由于處在 data 段，可以通過指針安全訪問，但 stack block 處在內(nèi)存棧區(qū)，如果其變量作用域結(jié)束，這個 block 就被廢棄，block 上的 __block 變量也同樣會被廢棄。

棧上的Block與__block變量.png

為了解決這個問題，block 提供了 copy 的功能，將 block 和 __block 變量從棧拷貝到堆，也就是 _NSConcreteMallocBlock。

_NSConcreteMallocBlock

當(dāng) block 從棧拷貝到堆后，當(dāng)棧上變量作用域結(jié)束時，仍然可以繼續(xù)使用 block，在開啟 ARC 時，大部分情況下編譯器通常會將創(chuàng)建在棧上的 block 自動拷貝到堆上，例如：

block 作為函數(shù)返回值返回時，編譯器自動將 block 作為 _Block_copy 函數(shù)，效果等同于 block 直接調(diào)用 copy 方法；
block 被賦值給 __strong id 類型的對象或 block 的成員變量時，編譯器自動將 block 作為 _Block_copy 函數(shù)，效果等同于 block 直接調(diào)用 copy 方法；
block 作為參數(shù)被傳入方法名帶有 usingBlock 的 Cocoa Framework 方法或 GCD 的 API 時。這些方法會在內(nèi)部對傳遞進(jìn)來的 block 調(diào)用 copy 或 _Block_copy 進(jìn)行拷貝;

編譯器不會自動調(diào)用 copy 方法：

block 作為方法或函數(shù)的參數(shù)傳遞時；

typedef int (^blk_t)(int);
blk_t func(int rate)
{
    return ^(int count){return rate * count;};
}

上面的 block 獲取了外部變量，所以是創(chuàng)建在棧上，當(dāng) func 函數(shù)返回給調(diào)用者時，脫離了局部變量 rate 的作用范圍，如果調(diào)用者使用這個 block 就會出問題。那 ARC 開啟的情況呢？運(yùn)行這個 block 一切正常，編譯器編譯之后的代碼：

blk_t func(int rate)
{
    blk_t tmp = &__func_block_impl_0(__func_block_func_0, &__func_block_desc_0_DATA, rate);
    tmp = objc_retainBlock(tmp);
    return objc_autoreleaseReturnValue(tmp); 
}

objc_retainBlock本質(zhì)上調(diào)用的是_Block_copy函數(shù)：

id objc_retainBlock(id x) {
    return (id)_Block_copy(x);
}

objc_autoreleaseReturnValue 本質(zhì)上調(diào)用的是objc_autorelease函數(shù)：

id 
objc_autoreleaseReturnValue(id obj)
{
    if (prepareOptimizedReturn(ReturnAtPlus1)) return obj;

    return objc_autorelease(obj);
}

block類型拷貝：

Block類型	源拷貝區(qū)域	Copy結(jié)果
_NSConcreteStackBlock	棧	從棧復(fù)制到堆
_NSConcreteGlobalBlock	程序的數(shù)據(jù)區(qū)域	什么都不做
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用計數(shù)加1

block 內(nèi)存管理

當(dāng) block 從棧內(nèi)存被拷貝到堆內(nèi)存時，__block 變量的變化如下圖。需要說明的是，當(dāng)棧上的 block 被拷貝到堆上，堆上的 block 再次被拷貝時，對 __block 變量已經(jīng)沒有影響了。

block拷貝.png

多個Block使用__block變量.png

block廢棄與變量釋放.png

__forwarding

block 從棧被拷貝到堆時，__forwarding 指針變量也會指向堆區(qū)的結(jié)構(gòu)體。

block 獲取局部變量，當(dāng)要在其他地方（超出局部變量作用范圍）使用這個 block 的時候，由于訪問局部變量異常，導(dǎo)致程序崩潰，因此需要將block從棧區(qū)拷貝到堆區(qū)。

將 block 拷貝到堆上的同時，將 __forwarding 指針指向堆上結(jié)構(gòu)體。后面如果要想使用 __block 變量，只要通過 __forwarding 訪問堆上變量，就不會出現(xiàn)程序崩潰了。

簡單講就是“不管__block變量配置在棧上還是堆上，都能正確的訪問該變量。”

    __block int val = 0;
    void (^blk)(void) = [^{++val;} copy];
    ++val;
    blk();
    NSLog(@"%d", val);

??代碼中 ^{++val;} 和 ++val; 都會被轉(zhuǎn)換成 ++(val.__forwarding->val);，堆上的 val 被加了兩次，最后打印堆上的 val 為 2。

block 循環(huán)引用

如果在Block使用附有__strong修飾符的對象類型自動變量，那么當(dāng)Block從棧復(fù)制到堆上時，該對象為Block所持有。

經(jīng)典的循環(huán)引用是self與block之間的相互引用：

typedef void (^blk_t)(void);

@interface User()
{
    blk_t blk_;
}
@end

@implementation User

- (id)init
{
    self = [super init];
    blk_ = ^{NSLog(@"self = %@", self);};
    return self;
}

- (void)dealloc
{
    NSLog(@"dealloc");
}

@end

編譯器會提示警告:

Capturing 'self' strongly in this block is likely to lead to a retain cycle

如果block中使用self中的屬性或者成員變量：

@interface User()
{
    blk_t blk_;
}

@property (assign, nonatomic) NSInteger age;

@end

@implementation User

- (id)init
{
    self = [super init];
    blk_ = ^{
        NSLog(@"FlyElephant--%ld", (long)self.age);
    };
    return self;
}

- (void)dealloc
{
    NSLog(@"dealloc");
}

@end

編譯會警告提示循環(huán)引用：

Capturing 'self' strongly in this block is likely to lead to a retain cycle

__weak修飾符解決循環(huán)引用問題：

    __weak typeof(User) *weakself = self;
    blk_ = ^{
        NSLog(@"FlyElephant--%ld", (long)weakself.age);
    };
    return self;

__block避免循環(huán)引用：

typedef void (^blk_t)(void);
@interface User : NSObject
{
    blk_t blk_;
}
@end

@implementation User

- (id)init
{
    self = [super init];
    __block id tmp = self;
    blk_ = ^{
        NSLog(@"self = %@", tmp);
        tmp = nil;
    };
    return self;
}

- (void)execBlock
{
    blk_();
}

- (void)dealloc
{
    NSLog(@"dealloc");
}

@end

int main()
{
    id object = [[User alloc] init];
    [object execBlock];
    return 0;
}

該代碼沒有引起循環(huán)引用。但是如果不執(zhí)行execBlock實(shí)例方式，即不執(zhí)行復(fù)試給成員變量blk_的Block，會循環(huán)引用并引起內(nèi)存泄漏。

參考鏈接

http://www.galloway.me.uk/2012/10/a-look-inside-blocks-episode-1/

http://www.galloway.me.uk/2012/10/a-look-inside-blocks-episode-2/

https://www.zybuluo.com/MicroCai/note/51116

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iOS-Block的實(shí)現(xiàn)

iOS-Block的實(shí)現(xiàn)

block 的底層實(shí)現(xiàn)

__block_impl

__main_block_impl_0

__main_block_desc_0

block 捕獲外部變量

內(nèi)存區(qū)域

靜態(tài)變量，全局變量

__block

block類型

NSConcreteGlobalBlock

NSConcreteStackBlock

_NSConcreteMallocBlock

block 內(nèi)存管理

__forwarding

block 循環(huán)引用

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iOS-Block的實(shí)現(xiàn)

block 的底層實(shí)現(xiàn)

__block_impl

__main_block_impl_0

__main_block_desc_0

block 捕獲外部變量

內(nèi)存區(qū)域

靜態(tài)變量，全局變量

__block

block類型

NSConcreteGlobalBlock

NSConcreteStackBlock

_NSConcreteMallocBlock

block 內(nèi)存管理

__forwarding

block 循環(huán)引用

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