Block深度總結(jié)系列

一、相關(guān)內(nèi)存概念

OBJC語言是基于C/C++語言艇挨，經(jīng)過LLVM編譯成C++代碼執(zhí)行躺苦，在這篇筆記開始之前挂谍，我們需要對(duì)以下概念有所了解搓茬。

1.操作系統(tǒng)中的棧和堆

注：這里所說的堆和棧與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆和棧不是一回事泳姐。

我們先來看看一個(gè)由C/C++/OBJC編譯的程序占用內(nèi)存分布的結(jié)構(gòu)：

C/C++/OBJC編譯的程序占用內(nèi)存分布的結(jié)構(gòu)

棧區(qū)（stack）：由系統(tǒng)自動(dòng)分配第晰，一般存放函數(shù)參數(shù)值谓苟、局部變量的值等涕癣。由編譯器自動(dòng)創(chuàng)建與釋放哗蜈。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧，即后進(jìn)先出坠韩、先進(jìn)后出的原則距潘。

例如：在函數(shù)中申明一個(gè)局部變量int b;系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開辟空間。

堆區(qū)（heap）：一般由程序員申請(qǐng)并指明大小只搁，最終也由程序員釋放音比。如果程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能會(huì)由OS回收氢惋。對(duì)于堆區(qū)的管理是采用鏈表式管理的洞翩，操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)接收到程序分配內(nèi)存的申請(qǐng)時(shí)焰望，操作系統(tǒng)就會(huì)遍歷該鏈表骚亿，遍歷到一個(gè)記錄的內(nèi)存地址大于申請(qǐng)內(nèi)存的鏈表節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)從該鏈表中刪除熊赖，然后將該節(jié)點(diǎn)記錄的內(nèi)存地址分配給程序来屠。

例如：在C中malloc函數(shù)
char p1;
p1 = (char )malloc(10);
但是p1本身是在棧中的。

全局區(qū)/靜態(tài)區(qū)：顧名思義震鹉，全局變量和靜態(tài)變量存儲(chǔ)在這個(gè)區(qū)域俱笛。只不過初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲(chǔ)在一塊，未初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲(chǔ)在一塊传趾。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放迎膜。
文字常量區(qū)：這個(gè)區(qū)域主要存儲(chǔ)字符串常量。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放浆兰。
程序代碼區(qū)：這個(gè)區(qū)域主要存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼磕仅。
下面舉一個(gè)例子：

//main.m

int a = 0; // 全局初始化區(qū)
char *p1; // 全局未初始化區(qū)
int main(int argc, char *argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int b; // 棧
        char s[] = "abc"; // 棧
        char *p2; // 棧
        char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量區(qū)，p3在棧上
        static int c = 0; // 全局靜態(tài)初始化區(qū)
        p1 = (char *)malloc(10);
        p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來的10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)
        strcpy(p1, "123456"); // 123456\0在常量區(qū)簸呈，這個(gè)函數(shù)的作用是將"123456" 這串字符串復(fù)制一份放在p1申請(qǐng)的10個(gè)字節(jié)的堆區(qū)域中宽涌。
        // p3指向的"123456"與這里的"123456"可能會(huì)被編譯器優(yōu)化成一個(gè)地址。
    }
}

鏈表：是一種常見的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)蝶棋，一般分為單向鏈表、雙向鏈表忽妒、循環(huán)鏈表玩裙。以下為單向鏈表的結(jié)構(gòu)圖：

單向鏈表

2.結(jié)構(gòu)體（Struct）

在C語言中螺垢，結(jié)構(gòu)體(struct)指的是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體可以被聲明為變量赖歌、指針或數(shù)組等枉圃，用以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體同時(shí)也是一些元素的集合庐冯，這些元素稱為結(jié)構(gòu)體的成員(member)孽亲，且這些成員可以為不同的類型，成員一般用名字訪問展父。
我們來看看結(jié)構(gòu)體的定義：

struct tag {
 member-list 
 } variable-list;

struct：結(jié)構(gòu)體關(guān)鍵字返劲。
tag：結(jié)構(gòu)體標(biāo)簽。
member-list：結(jié)構(gòu)體成員列表栖茉。
variable-list：為結(jié)構(gòu)體聲明的變量列表篮绿。
在一般情況下，tag吕漂，member-list亲配，variable-list這三部分至少要出現(xiàn)兩個(gè)。以下為示例：

// 該結(jié)構(gòu)體擁有3個(gè)成員痰娱，整型的a弃榨，字符型的b，雙精度型的c
// 并且為該結(jié)構(gòu)體聲明了一個(gè)變量s1
// 該結(jié)構(gòu)體沒有標(biāo)明其標(biāo)簽
struct{
    int a;
    char b;
    double c;
} s1;

// 該結(jié)構(gòu)體擁有同樣的三個(gè)成員
// 并且該結(jié)構(gòu)體標(biāo)明了標(biāo)簽EXAMPLE
// 該結(jié)構(gòu)體沒有聲明變量
struct EXAMPLE{
    int a;
    char b;
    double c;
};

//用EXAMPLE標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)體梨睁，另外聲明了變量t1鲸睛、t2、t3
struct EXAMPLE t1, t2[20], *t3;

以上就是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體的代碼示例坡贺。結(jié)構(gòu)體的成員可以包含其他結(jié)構(gòu)體官辈，也可以包含指向自己結(jié)構(gòu)體類型的指針。結(jié)構(gòu)體的變量也可以是指針遍坟。

下面我們來看看結(jié)構(gòu)體成員的訪問拳亿。結(jié)構(gòu)體成員依據(jù)結(jié)構(gòu)體變量類型的不同，一般有2種訪問方式愿伴，一種為直接訪問肺魁，一種為間接訪問。直接訪問應(yīng)用于普通的結(jié)構(gòu)體變量隔节，間接訪問應(yīng)用于指向結(jié)構(gòu)體變量的指針鹅经。直接訪問使用結(jié)構(gòu)體變量名.成員名寂呛，間接訪問使用(*結(jié)構(gòu)體指針名).成員名或者使用結(jié)構(gòu)體指針名->成員名。相同的成員名稱依靠不同的變量前綴區(qū)分瘾晃。

struct EXAMPLE{
    int a;
    char b;
};

//聲明結(jié)構(gòu)體變量s1和指向結(jié)構(gòu)體變量的指針s2
struct EXAMPLE s1, *s2;

//給變量s1和s2的成員賦值,注意s1.a和s2->a并不是同一成員
s1.a = 5;
s1.b = 6;
s2->a = 3;
s2->b = 4;

最后我們來看看結(jié)構(gòu)體成員存儲(chǔ)贷痪。在內(nèi)存中，編譯器按照成員列表順序分別為每個(gè)結(jié)構(gòu)體成員分配內(nèi)存蹦误。如果想確認(rèn)結(jié)構(gòu)體占多少存儲(chǔ)空間劫拢，則使用關(guān)鍵字sizeof，如果想得知結(jié)構(gòu)體的某個(gè)特定成員在結(jié)構(gòu)體的位置强胰，則使用offsetof宏(定義于stddef.h)舱沧。

    int a;
    char b;
};

//獲得EXAMPLE類型結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小
int size_example = sizeof( struct EXAMPLE );

//獲得成員b相對(duì)于EXAMPLE儲(chǔ)存地址的偏移量
int offset_b = offsetof( struct EXAMPLE, b );

3.閉包（Closure）

閉包就是一個(gè)函數(shù)，或者一個(gè)指向函數(shù)的指針哪廓，加上這個(gè)函數(shù)執(zhí)行的非局部變量狗唉。
說的通俗一點(diǎn)，就是閉包允許一個(gè)函數(shù)訪問聲明該函數(shù)運(yùn)行上下文中的變量涡真，甚至可以訪問不同運(yùn)行上文中的變量分俯。
我們用腳本語言來看一下：

function funA(callback){
    alert(callback());
}

function funB(){
    var str = "Hello World"; // 函數(shù)funB的局部變量，函數(shù)funA的非局部變量
    funA（
        function（）{
            return str;
        }
    ）哆料；
}

通過上面的代碼我們可以看出缸剪，按常規(guī)思維來說，變量str是函數(shù)funB的局部變量东亦，作用域只在函數(shù)funB中杏节，函數(shù)funA是無法訪問到str的。但是上述代碼示例中函數(shù)funA中的callback可以訪問到str典阵，這是為什么呢奋渔，因?yàn)殚]包性。

二壮啊、block基礎(chǔ)知識(shí)

block實(shí)際上就是Objective-C語言對(duì)閉包的實(shí)現(xiàn)嫉鲸，block是封裝了函數(shù)調(diào)用以及函數(shù)調(diào)用環(huán)境（局部變量）的OC對(duì)象。

1.block的原型及定義

我們來看看block的原型：

NSString * ( ^ myBlock )( int );

上面的代碼聲明了一個(gè)block(^)原型歹啼，名字叫做myBlock玄渗，包含一個(gè)int型的參數(shù)，返回值為NSString類型的指針狸眼。

下面來看看block的定義：

myBlock = ^( int paramA )
{
    return [ NSString stringWithFormat: @"Passed number: %i", paramA ];
};

上面的代碼中藤树，將一個(gè)函數(shù)體賦值給了myBlock變量，其接收一個(gè)名為paramA的參數(shù)拓萌，返回一個(gè)NSString對(duì)象岁钓。

注意：一定不要忘記block后面的分號(hào)。

定義好block后，就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)一樣使用它了：

myBlock(7);

由于block數(shù)據(jù)類型的語法會(huì)降低整個(gè)代碼的閱讀性甜紫，所以常使用typedef來定義block類型降宅。例如，下面的代碼創(chuàng)建了GetPersonEducationInfo和GetPersonFamilyInfo兩個(gè)新類型囚霸，這樣我們就可以在下面的方法中使用更加有語義的數(shù)據(jù)類型。

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

// Define a new type for the block
typedef NSString * (^GetPersonEducationInfo)(NSString *);
typedef NSString * (^GetPersonFamilyInfo)(NSString *);

@interface Person : NSObject

- (NSString *)getPersonInfoWithEducation:(GetPersonEducationInfo)educationInfo
    andFamily:(GetPersonFamilyInfo)familyInfo;

@end

block的結(jié)構(gòu)

2.將block作為參數(shù)傳遞

// .h
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock;

// .m
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock
{
    NSLog(@"Block returned: %@", myBlock(7) );
}

由于Objective-C是強(qiáng)制類型語言激才，所以作為函數(shù)參數(shù)的block也必須要指定返回值的類型拓型，以及相關(guān)參數(shù)類型。

3.閉包性

上文說過瘸恼，block實(shí)際是Objc對(duì)閉包的實(shí)現(xiàn)劣挫。
我們來看看下面代碼：

#import <Cocoa/Cocoa.h>

void logBlock( int ( ^ theBlock )( void ) )
{
    NSLog( @"Closure var X: %i", theBlock() );
}

int main( void )
{
    NSAutoreleasePool * pool;
    int ( ^ myBlock )( void );
    int x;

    pool = [ [ NSAutoreleasePool alloc ] init ];
    x = 42;

    myBlock = ^( void )
    {
        return x;
    };

    logBlock( myBlock );

    [ pool release ];

    return EXIT_SUCCESS;
}

上面的代碼在main函數(shù)中聲明了一個(gè)整型，并賦值42东帅，另外還聲明了一個(gè)block压固，該block會(huì)將42返回。然后將block傳遞給logBlock函數(shù)靠闭，該函數(shù)會(huì)顯示出返回的值42帐我。即使是在函數(shù)logBlock中執(zhí)行block，而block又聲明在main函數(shù)中愧膀，但是block仍然可以訪問到x變量拦键，并將這個(gè)值返回。

注意：block同樣可以訪問全局變量檩淋，即使是static芬为。

4.block中變量的復(fù)制與修改

copy variables

通過block進(jìn)行閉包的變量是const的媚朦。也就是說不能在block中直接修改這些變量。來看看當(dāng)block試著增加x的值時(shí)日戈，會(huì)發(fā)生什么：

myBlock = ^( void )
{
    x++;

    return x;
};

編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)询张，表明在block中變量x是只讀的。
有時(shí)候確實(shí)需要在block中處理變量涎拉，怎么辦瑞侮？別著急，我們可以用__block關(guān)鍵字來聲明變量鼓拧，這樣就可以在block中修改變量了半火。
基于之前的代碼，給x變量添加__block關(guān)鍵字季俩，如下：

__block int x;

對(duì)于用__block修飾的外部變量引用钮糖，block是復(fù)制其引用地址來實(shí)現(xiàn)訪問的，如下圖：

ref variables

詳解請(qǐng)學(xué)習(xí)：Block怎么捕獲外部變量

三、編譯器中的block

1.block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

block struct

上圖這個(gè)結(jié)構(gòu)是在棧中的結(jié)構(gòu)店归，我們來看看對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義：

struct Block_descriptor {
    unsigned long int reserved;
    unsigned long int size;
    void (*copy)(void *dst, void *src);
    void (*dispose)(void *);
};

struct Block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables. */
};

從上面代碼看出阎抒，Block_layout就是對(duì)block結(jié)構(gòu)體的定義：

isa指針：指向表明該block類型的類。
flags：按bit位表示一些block的附加信息消痛，比如判斷block類型且叁、判斷block引用計(jì)數(shù)、判斷block是否需要執(zhí)行輔助函數(shù)等秩伞。
reserved：保留變量逞带，我的理解是表示block內(nèi)部的變量數(shù)。
invoke：函數(shù)指針纱新，指向具體的block實(shí)現(xiàn)的函數(shù)調(diào)用地址展氓。
descriptor：block的附加描述信息，比如保留變量數(shù)脸爱、block的大小遇汞、進(jìn)行copy或dispose的輔助函數(shù)指針。
variables：因?yàn)閎lock有閉包性簿废，所以可以訪問block外部的局部變量空入。這些variables就是復(fù)制到結(jié)構(gòu)體中的外部局部變量或變量的地址。

2.block的類型

block有幾種不同的類型捏鱼，每種類型都有對(duì)應(yīng)的類执庐，上述中isa指針就是指向這個(gè)類。這里列出常見的三種類型：

_NSConcreteGlobalBlock：全局的靜態(tài)block导梆，不會(huì)訪問任何外部變量轨淌，不會(huì)涉及到任何拷貝，比如一個(gè)空的block看尼。例如：

#include <stdio.h>

int main()
{
    ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
    return 0;
}

_NSConcreteStackBlock：保存在棧中的block递鹉，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)被銷毀。例如：

#include <stdio.h>

int main()
{
    char a = 'A';
    ^{ printf("%c\n",a); } ();
    return 0;
}

_NSConcreteMallocBlock：保存在堆中的block藏斩，當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)被銷毀躏结。該類型的block都是由_NSConcreteStackBlock類型的block從棧中復(fù)制到堆中形成的。例如下面代碼中狰域，在exampleB_addBlockToArray方法中的block還是_NSConcreteStackBlock類型的媳拴，在exampleB方法中就被復(fù)制到了堆中，成為_NSConcreteMallocBlock類型的block：

void exampleB_addBlockToArray(NSMutableArray *array) {
    char b = 'B';
    [array addObject:^{
            printf("%c\n", b);
    }];
}
 
void exampleB() {
    NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
    exampleB_addBlockToArray(array);
    void (^block)() = [array objectAtIndex:0];
    block();
}

小結(jié)：

block類型

• _NSConcreteGlobalBlock類型的block要么是空block兆览，要么是不訪問任何外部變量的block區(qū)存放在數(shù)據(jù)去屈溉。

• _NSConcreteStackBlock類型的block有閉包行為，也就是有訪問外部變量抬探，并且該block只且只有有一次執(zhí)行子巾，所以當(dāng)棧中的block執(zhí)行一次之后就被清除出棧了，內(nèi)部的auto變量會(huì)被釋放，有可能造成再次訪問時(shí)數(shù)據(jù)丟失线梗，所以無法多次使用椰于。

• _NSConcreteMallocBlock類型被copy到堆區(qū)，auto變量會(huì)存儲(chǔ)在堆區(qū)仪搔，數(shù)據(jù)作用域同類對(duì)象瘾婿，再次訪問時(shí)不會(huì)丟失，并且該block可以被多次執(zhí)行僻造。

3.編譯器如何編譯

我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來說明：

#import <dispatch/dispatch.h>

typedef void(^BlockA)(void);

__attribute__((noinline))
void runBlockA(BlockA block) {
    block();
}

void doBlockA() {
    BlockA block = ^{
        // Empty block
    };
    runBlockA(block);
}

上面的代碼定義了一個(gè)名為BlockA的block類型憋他，該block在函數(shù)doBlockA中實(shí)現(xiàn)，并將其作為函數(shù)runBlockA的參數(shù)髓削，最后在函數(shù)doBlockA中調(diào)用函數(shù)runBloackA。

注意：如果block的創(chuàng)建和調(diào)用都在一個(gè)函數(shù)里面镀娶，那么優(yōu)化器(optimiser)可能會(huì)對(duì)代碼做優(yōu)化處理立膛，從而導(dǎo)致我們看不到編譯器中的一些操作，所以用attribute((noinline))給函數(shù)runBlockA添加noinline梯码，這樣優(yōu)化器就不會(huì)在doBlockA函數(shù)中對(duì)runBlockA的調(diào)用做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化處理宝泵。

我們來看看編譯器做的工作內(nèi)容：

#import <dispatch/dispatch.h>

__attribute__((noinline))
void runBlockA(struct Block_layout *block) {
    block->invoke();
}

void block_invoke(struct Block_layout *block) {
    // Empty block function
}

void doBlockA() {
    struct Block_descriptor descriptor;
    descriptor->reserved = 0;
    descriptor->size = 20;
    descriptor->copy = NULL;
    descriptor->dispose = NULL;

    struct Block_layout block;
    block->isa = _NSConcreteGlobalBlock;
    block->flags = 1342177280;
    block->reserved = 0;
    block->invoke = block_invoke;
    block->descriptor = descriptor;

    runBlockA(&block);
}

上面的代碼結(jié)合block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，我們能很容易得理解編譯器內(nèi)部對(duì)block的工作內(nèi)容轩娶。

4.copy()和dispose()

上文中提到儿奶，如果我們想要在以后繼續(xù)使用某個(gè)block，就必須要對(duì)該block進(jìn)行拷貝操作鳄抒，即從棿成樱空間復(fù)制到堆空間。所以拷貝操作就需要調(diào)用Block_copy()函數(shù)许溅，block的descriptor中有一個(gè)copy()輔助函數(shù)瓤鼻，該函數(shù)在Block_copy()中執(zhí)行，用于當(dāng)block需要拷貝對(duì)象的時(shí)候贤重，拷貝輔助函數(shù)會(huì)retain住已經(jīng)拷貝的對(duì)象茬祷。

既然有有copy那么就應(yīng)該有release，與Block_copy()對(duì)應(yīng)的函數(shù)是Block_release()并蝗，它的作用不言而喻祭犯，就是釋放我們不需要再使用的block，block的descriptor中有一個(gè)dispose()輔助函數(shù)滚停，該函數(shù)在Block_release()中執(zhí)行沃粗，負(fù)責(zé)做和copy()輔助函數(shù)相反的操作，例如釋放掉所有在block中拷貝的變量等铐刘。

四陪每、總結(jié)

以上內(nèi)容是我學(xué)習(xí)總結(jié)的記錄，其中有部分文字和代碼示例是來自網(wǎng)絡(luò)，還有一些自己的理解檩禾，如有錯(cuò)誤還請(qǐng)大家勘誤挂签。