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  • Objective C block背后的黑魔法

    前言

    block在Objective C开发中应用非常广泛，我们知道block会捕获外部对象，也知道使用block要防止循环引用。

    “知其然而不知其所以然”是一件非常痛苦的事情，那么block这套机制在OC中是怎样实现的呢？本文通过从C/C++到汇编层面分析block的实现原理。

    Clang

    clang是XCode的编译器前端。编译器前端负责语法分析，语义分析，生成中间代码(intermediate representation )。

    比方当你在XCode中进行build一个.m文件的时候。实际的编译命令例如以下

    clang -x objective-c -arch x86_64
 -fmessage-length=0 
 -fobjc-arc... 
 -Wno-missing-field-initializers ... 
 -DDEBUG=1 ... 
 -isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk 
 -fasm-blocks ... 
 -I headers.hmap 
 -F 所须要的Framework  
 -iquote 所须要的Framework  ... 
 -c ViewController.m 
 -o ViewController.o

    Objective C也能够用GCC来编译，只是那超出了本文的范畴，不做解说。

    Clang除了能够进行编译之外，还有其它一些使用方法。

    比方本文分析代码的核心命令就是这个：

    clang -rewrite-objc 文件.m

    通过这个命令。我们能够把Objective C的代码用C++来表示。

    对于想深入理解Clang命令的同学。能够用命令忙自带的工具来查看帮助文档

    man clang

    或者阅读官方文档：文档地址。

    查看汇编代码

    在XCode中。对于一个源文件，我们能够通过例如以下方式查看其汇编代码。这对我们分析代码深层次的实现原理非常实用，这个在后面也会遇到。

    Objective C对象内存模型

    为了本文解说的更清楚。我们首先来看看一个Objective C对象的内存模型。我们首先新建一个类。内容例如以下

    DemoClass.h

    @interface DemoClass : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString * value;
@end

    DemoClass.m

    @implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
    DemoClass * obj = [[DemoClass alloc] init];
}
@end

    然后。我们用上文提到的Clang命令将DemoClass.m转成C++的表示。

    clang -rewrite-objc DemoClass.m

    转换完成后当前文件夹会多一个DemoClass.cpp文件，这个文件非常大，接近十万行。

    我们先搜索这种方法名称demoFunction，以方法作为切入

    static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = ((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}

    能够看到。转换成C++后。一个实例方法转换为一个静态方法，这种方法的内容看起来非常乱，由于有各种的类型强制转换，去掉后就比較清楚了。

    static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}

    能够看到：

    • 转换后添加了两个參数：self和_cmd
    • 方法的调用转换成了objc_msgSend。这是一个C函数，两个參数各自是Class和SEL

    关于objc_msgSend内发生的事情，參见我之前的一篇博客：

    到这里。我们知道了一个OC的实例方法详细是怎么实现的了。

    那么，一个OC对象在内存中是怎样存储的呢？我们在刚刚的方法的上下能够找到这个类的完整实现，

    //类相应的结构体
struct DemoClass_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_value;
};
//demoFunction方法
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
//属性value的getter方法
static NSString * _I_DemoClass_value(DemoClass * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_DemoClass$_value)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

//属性value的setter方法
static void _I_DemoClass_setValue_(DemoClass * self, SEL _cmd, NSString *value) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct DemoClass, _value), (id)value, 0, 1); }

    我们側重来看看类相应的结构体

    struct DemoClass_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_value;
};
//我们依次查找不清楚的定义
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class isa ;
};

    能够看到，OC类实际是依照下面方式来存储对象的

    • isa指针。指向objc_class类型的结构体。这个结构体中存储了方法的列表等类相关的信息，由于objc_msgSend中。发给对象的实际是一个字符串。运行时就是通过isa找到类对象。然后通过字符串找到方法的实际运行的。
    • ivar。属性背后的存储对象，到这里也能看出来一个普通的属性就是ivar+getter+setter.

    也就是说。仅仅要有isa指针。指向一个类对象，那么这个结构就能处理OC的消息机制。也就能当成OC的对象来用。

    Block的本质

    我们改动DemoClass.m中的内容例如以下

    typedef void(^VoidBlock)(void);
@implementation DemoClass

- (void)demoFunction{
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = ^{
        NSLog(@"%ld",variable);
    };
    temp();
}
@end

    然后。又一次用clang转换为C++代码。有关这段代码的内容例如以下：

    struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};
struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  NSInteger variable;
  __DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp, struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc, NSInteger _variable, int flags=0) : variable(_variable) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_Test_c7592d_mi_0,variable);
}

static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = ((void (*)())&__DemoClass__demoFunction_block_impl_0((void *)__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)temp)->FuncPtr)((__block_impl *) temp);
}

    我们还是以方法作为切入点，看俺详细是怎么实现的。

    _I_DemoClass_demoFunction是DemoFunction转换后的方法。我们去掉一些强制转化代码，这样看起来更清楚

    static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
    (temp->FuncPtr)(temp);
}

    从上至下，三行的左右依次是

    • 初始化一个variable（也就是block捕获的变量）
    • 调用结构体__DemoClass__demoFunction_block_impl_0的构造函数来新建一个结构体，而且把地址赋值给temp变量（也就是初始化一个block）
    • 通过调用temp变量内的函数指针（C的函数指针）来运行实际的函数。

    通过这些分析，我们知道了Block的大致实现

    block背后的内存模型实际上是一个结构体。这个结构体会存储一个函数指针来指向block的实际运行代码。

    接着，我们来深入的研究下block背后的结构体。也就是这个结构体__DemoClass__demoFunction_block_impl_0:

    struct __block_impl {
  void *isa; //和上文提到的OC对象isa一样，指向的类对象，用来找到方法的实现
  int Flags; //标识位
  int Reserved; //保留
  void *FuncPtr; //Block相应的函数指针
};

struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  //结构体的通用存储结构
  struct __block_impl impl;
  //本结构体的描写叙述信息
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  //捕获的外部变量
  NSInteger variable;
  //构造函数（也就是初始化函数，用来在创建结构体实例的时候。进行必要的初始化工作）
  struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  NSInteger variable;
  __DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp,
                                         struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc,
                                         NSInteger _variable,
                                         int flags=0) : variable(_variable) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

    我们在回头看看block初始化那句代码

    //OC
VoidBlock temp = ^{
        NSLog(@"%ld",variable);
};
//C++
VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0, 
&__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, 
variable));

    在相应之前代码块的构造函数，我们能够清楚的看到，在初始化的时候三个參数依次是

    • 函数指针__DemoClass__demoFunction_block_func_0
    • block的描写叙述结构体（全局静态结构体）__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA
    • 捕获的变量variable

    接着。我们来看看block背后的C函数__DemoClass__demoFunction_block_func_0

    static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy
  NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0,variable);
}

    Tips：

    内存中存储区域可分为下面几个区域：

    • TEXT 代码区
    • DATA 数据区
    • Stack 栈区
    • HEAP 堆区

    上文的字符串@”%ld”。相应C++代码是)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0，是存储在数据区的。

    这样即使程序中有多个@”%ld”，也不会创建多个实例。

    能够看到。这个C函数的參数是__DemoClass__demoFunction_block_impl_0，也就是一个block类型。然后在方法体内部，使用这个block类型的參数。

    最后，我们分析下block的描写叙述信息。也就是这段代码

    static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};

    这段代码不难理解，就是声明一个描写叙述信息的结构体，然后初始化这个结构体类型的全局静态变量。

    分析到这里，上面代码的大多数内容我们都理解了，可是有一点我们还没有搞清楚。就是isa指向的内容_NSConcreteStackBlock

    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

    可是，到这里我们知道了为什么Block能够当作OC对象来用的原因：就是这个指向类对象的isa指针。

    Block的类型

    上文提到了_NSConcreteStackBlock是Block一种。block一共同拥有三种类型

    • NSConcreteStackBlock 栈上分配，作用域结束后自己主动释放
    • NSConcreteGlobalBlock 全局分配，相似全局变量。存储在数据段。内存中仅仅有一份
    • NSConcreteHeapBlock 堆上分配

    我们仍然尝试用Clang转换的方式，来验证我们的理论。

    将DemoClass.m内容修改动为

    #import "DemoClass.h"

typedef void(^VoidBlock)(void);

@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;

@end
VoidBlock globalBlock = ^{};

@implementation DemoClass

- (void)demoFunction{
    VoidBlock stackBlock = ^{};
    stackBlock();
    _heapBlock = ^{};
}

@end

    然后。转成C++后，分别相应例如以下

    全局globalBlock

    impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;

    栈上stackBlock

    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

    属性Block

    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

    What the fuck! 怎么属性的block是栈类型的。难道不该是堆类型的吗？

    到这里。C/C++层面的代码已经无法满足我们的需求了。我们试着把代码转成汇编。一探到底：

    方便分析属性block到底是怎么实现的。我们改动.m文件

    #import "DemoClass.h"
typedef void(^VoidBlock)(void);
@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;
@end
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
    _heapBlock = ^{};
}
@end

    转换成汇编后。在方法demoFunction部分，我们能看到相似汇编代码

    bl  _objc_retainBlock
    adrp    x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGE
    add x8, x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGEOFF
    .loc    1 0 0                   ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:0:0
    ldr x1, [sp, #8]
    .loc    1 21 5                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:5
    ldrsw       x8, [x8]
    add     x8, x1, x8
    .loc    1 21 16 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
    ldr     x1, [x8]
    str     x0, [x8]
    .loc    1 21 16 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
    mov  x0, x1
    bl  _objc_release

    也就是说，在方法返回之前，依次调用了

    _objc_retainBlock
_objc_release

    那么，_objc_retainBlock就是block从栈到堆的黑魔法。

    我们通过Runtime的源代码来分析这种方法的实现：

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

// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

    到这里我们就清楚了，编译器为我们自己主动插入了_objc_retainBlock，而这个函数会把栈上的block复制到堆上。

    Tips: 通常在写属性的时候，block都会声明为copy。这是显式的表示，即使block是栈上的，也会复制到堆上。事实上在赋值的时候，编译器已经自己主动帮我们做了这些，所以事实上使用strong也能够。

    那么，一个暂时变量的block会被复制到堆上么？

    改动demoFunction:

    - (void)demoFunction{
    VoidBlock stackBlock = ^{};
}

    继续查看汇编：

    Ltmp7:
    .loc    1 23 15 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:23:15
    mov  x0, x8
    bl  _objc_retainBlock
    mov x8, #0
    add x1, sp, #8              ; =8
    str x0, [sp, #8]
    .loc    1 24 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:24:1
    mov  x0, x1
    mov  x1, x8
    bl  _objc_storeStrong
    ldp x29, x30, [sp, #32]     ; 8-byte Folded Reload
    add sp, sp, #48             ; =48
    ret

    我们仍然看到了_objc_retainBlock，也就是说即使是一个在函数中的block，在ARC开启的情况下，仍然会复制到堆上。

    __block

    通过之前的解说，我们知道了block怎样捕获外部变量，也知道了block的几种类型。那么block怎样改动外部变量呢？

    block是不能够直接改动外部变量的，比方

    NSInteger variable = 0;
_heapBlock = ^{
    variable = 1;
};

    直接这么写，编译器是不会通过的，想想也非常easy。由于变量可能在block运行之前就被释放掉了，直接这么赋值会导致野指针。

    在OC层面。我们能够通过添加__block关键字。那么加了这个关键字后，实际的C++层面代码是什么样的呢？

    - (void)demoFunction{
    __block NSInteger variable = 0;
    VoidBlock stackBlock = ^{
        variable = 1;
    };
}

    在转换成C++代码后，例如以下：

    static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    __Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};
    VoidBlock stackBlock = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(( __DemoClass__demoFunction_block_func_0,
                                                                    &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA,
                                                                    (__Block_byref_variable_0 *)&variable,
                                                                    570425344);
}

    能够看到。__block NSInteger variable = 0转换成了一个结构体

    __Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};

    这个结构体定义例如以下：

    struct __Block_byref_variable_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_variable_0 *__forwarding;
  int __flags;
  int __size;
  NSInteger variable; //这个是要改动的变量
};

    通过初始化我们能够看到

    • __isa指向0
    • __forwarding 指向__Block_byref_variable_0自身
    • __flags为0
    • __size就是结构题的大小
    • variable是我们定义的原始值0

    到这里。我们有一点疑惑

    • 为什么要存在一个__forwarding来指向自身呢？

    我们来看看block的方法体。也就是这部分

    ^{
   variable = 1;
 }

    转换成C++后：

    static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_variable_0 *variable = __cself->variable; // bound by ref
    variable->__forwarding->variable) = 1;
}

    也就是说__forwarding存在的意义就是通过它来訪问到变量的地址，假设这个指针一直指向自身。那么它也就没有存在的意义，也就是在将来的某一个时间点，它一定会指向另外一个数据结构。

    我们在上文中讲到，ARC开启的时候，栈上的block会被复制到堆上。

    在没有复制之前：

    复制之后

    这样，我们就清楚原因了：

    即使发生了复制，仅仅要改动__forwarding的指向。我们就能够保证栈上和堆上的block都訪问同一个对象。

    Block对对象的捕获

    到这里，我们分析的block都是捕获一个外部值。并非对象。值和对象最大的差别就是对象有生命周期，对象我们须要考虑引用计数。

    改动DemoFunction

    - (void)demoFunction{
    NSObject * obj = [[NSObject alloc] init];
    VoidBlock stackBlock = ^{
        [obj description];
    };
    stackBlock();
}

    再转换成C++后，我们对照之前捕获NSInteger，发现多了两个生命周期管理函数

    static void __DemoClass__demoFunction_block_copy_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*dst, struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
    _Block_object_assign((void*)&dst->obj, (void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

static void __DemoClass__demoFunction_block_dispose_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
    _Block_object_dispose((void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

    我们再查看下Block_object_assign和Block_object_dispose的定义

    // Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int);
// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int);

    也就是说，编译器通过这两个函数来管理Block捕获对象的生命周期。当中

    • _Block_object_assign相当于ARC中的reatain，在block从栈上复制到堆上的时候调用
    • _Block_object_dispose相当于ARC中的release，在block堆上废弃的时候调用

    总结

    • block在C语言层面就是结构体，结构体存储了函数指针和捕获的变量列表
    • block分为全局，栈上。堆上三种。ARC开启的时候。会自己主动把栈上的block复制到堆上
    • __block变量在C语言层面也是一个结构体
    • block捕获对象的时候会添加对象的引用计数。

    本文的Github地址：LeoMobileDeveloper，如有问题欢迎issue。也能够在我的CSDN博客下评论，我会及时更正。
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