对Objective-C中Block的追探

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最近看了很多block相关的文章，都在说block怎么用，写的都很精彩。
blogs：
Block编程值得注意的那些事儿（使用相关）
http://www.cocoachina.com/macdev/cocoa/2013/0527/6285.html
iOS中block实现的探究（内部结构分析）
http://blog.csdn.net/jasonblog/article/details/7756763?reload
还有绪斌同学共享的（内部结构分析）
https://www.evernote.com/shard/s269/sh/23b61393-c6dd-4fa2-b7ae-306e9e7c9639/131de66a3257122ba903b0799d36c04c?noteKey=131de66a3257122ba903b0799d36c04c&noteGuid=23b61393-c6dd-4fa2-b7ae-306e9e7c9639
又看了一本关于这方面的书：
Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X
http://vdisk.weibo.com/s/9hjAV

觉得是可以总结一下我对block理解的时候了。
注：上面提供的资料有很多有用的背景知识比如block怎么用，什么时候应该加上__block关键字声明变量，怎么解决循环引用，什么是堆，什么是栈等等，大家写的都比我好，我就不复制粘贴了。下面的文字是我的一些个人理解，如果有不对的地方还请指正。

1、block是个什么？
简单说block就是一个“仿”对象。

在Objective-C中，类都是继承NSObject的，NSObject里面都会有个isa，是一个objc_class指针。
而block的对象，在clang的C++重写中，

^int(){printf("val"); return 111;};

这个block会被转化为

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

struct __testBlock_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __testBlock_block_desc_0* Desc;
  __testBlock_block_impl_0(void *fp, struct __testBlock_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

__testBlock_block_impl_0是block结构，他的第一个属性也是一个结构__block_impl，而第一个参数也是一个isa的指针。
在运行时，NSObject和block的isa指针都是指向在对象一个4字节。
NSObject及派生类对象的isa指向Class的prototype，而block的isa指向了_NSConcreteStackBlock这个指针。
就是说当一个block被声明的时候他都是一个_NSConcreteStackBlock类的对象。

2、block对象的生存期
通常在Objective-C中，对象都是在堆上声明的。
当我们运行

NSString *str = [[NSString alloc] init];

的时候，这个NSString就在堆上挂上号了，直到release的时候，引用计数减为0，这个对象才会被干掉。

再看一下block的内部实现，当我们实现

    {
        void (^testBlock) (void) =  ^{printf("看看这个block");};
        testBlock();
    }

的时候，在clang中会被转换为

    {
        void (*testBlock) (void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)testBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)testBlock);
    }

由此可见这个block是在栈上声明的，这就是说当block超过了这个“}”，这个block对象就会被回收。

我们做个实验：
Objective-C的源码（非ARC）

    block stackBlock;
    {
        int val = 10;
        stackBlock = ^{NSLog(@"val = %d", val);};
    }
    stackBlock();

转换后：

    block stackBlock;
    {
        int val = 10;
        stackBlock = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, val);
    }
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)stackBlock)->FuncPtr)((__block_impl *)stackBlock);

上面的程序运行，不崩溃。
从这个转换后的结果来看，__main_block_impl_0这个在栈上声明的对象，在“}”结束应该就被释放了，可是在下面的调用中居然还可以用？
我认为这就是运气，个人不推荐在栈释放block对象后再使用block对象。
看看__main_block_impl_0的声明

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

这个结构只做了构造函数，没有做析构函数，导致在对象弹栈的时候没有对对象内部变量赋值，所以飘在外面的地址都是野指针。
（注：clang这个命令不是全靠谱，只能作为参考，因为这个工具转换出来的C++文件无法通过编译，感觉只能作为研究参考）

3、block外传、赋值得上栈
咱们看看运气不好的时候：
准备工作，弄个新的iOS工程（非ARC的），然后在ViewController.m里定义一个blk类型。

typedef void (^blk) (void);

之后在弄个属性

@interface ViewController () {
      blk tempBlock;
}
@end

在viewDidLoad里面加上一个按钮，并声明一个block指针付给tempBlock

- (void)viewDidLoad
{
    [superviewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    UIButton *btn = [UIButton buttonWithType: UIButtonTypeRoundedRect];
    btn.frame = CGRectMake(100.0f, 100.0f, 100.0f, 30.0f);
    [btn setTitle: @"试试"forState: UIControlStateNormal];
    [btn addTarget: self
            action: @selector(btnClick:)
  forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];
    [self.viewaddSubview: btn];
    
    __blockint val = 10;
    tempBlock = ^{NSLog(@"val = %d", ++val);};
}

按钮点击的事件：

- (void) btnClick: (id) Sender {
    tempBlock();
}

当页面正常显示之后，点击按钮必然崩溃。
提示error: address doesn't contain a section that points to a section in a object file
原因就是tempBlock所指向的对象已经被回收了。
在Objective-C中，这种情况也可能是tempBlock所指的对象被autorelease了？
这样咱们吧tempBlock给retain一下不就好了么？

tempBlock = [^{NSLog(@"val = %d", ++val);} retain];

结果依旧，可问题出在哪呢？
我认为这就是block是一个“仿”对象的造成的，从之前的分析来看，block的isa指向的不是object_class，而是_NSConcreteStackBlock，我想这个prototype里重新定义了咱们熟悉的retain/copy/release等NSObject所定义的函数。
retain这个函数在_NSConcreteStackBlock这个类的定义中，不会对指针做任何操作，所以才不会有影响。（同样release也是一样）

在block的各种使用说明中，都有一条，当block要作为参数外传、赋值时都要调用copy，咱们对比一下copy前后block的变化。
把刚才的实验改造一下：

- (void)viewDidLoad
{
    [superviewDidLoad];

     //生成按钮(略)
    
    NSLog(@"_NSConcreteStackBlock %@", [_NSConcreteStackBlock class]);
    
    __block int val = 10;
    blk stackBlock = ^{NSLog(@"val = %d", ++val);};
    NSLog(@"stackBlock: %@", stackBlock);
    
    tempBlock = [stackBlock copy];
    NSLog(@"tempBlock: %@", tempBlock);
}

打印出的结果：

2013-05-29 14:21:09.969 BlockTest[2070:c07] _NSConcreteStackBlock __NSStackBlock__
2013-05-29 14:21:09.970 BlockTest[2070:c07] stackBlock: <__NSStackBlock__: 0xbfffdb28>
2013-05-29 14:21:09.970 BlockTest[2070:c07] tempBlock: <__NSMallocBlock__: 0x756bf20>

在经过copy之后，对象的类型从__NSStackBlock__变为了__NSMallocBlock__
在Objective-C的设计中，我没见过copy一回把对象的类型也给变了的，再次说明了block是一种特殊的对象。
大家应该注意到__block标记的变量了吧，这个变量会随着block对象上堆一块上堆，这个部分上面的blogs和书中都有讲解，我就不叙述了。
另外还有一种类型block的类型__NSGlobalBlock__，当block里面没有局部变量的时候会block会变为这个类型,这个类型的retain/copy/release全都不会对对象有影响，可以当做静态block理解。
__NSMallocBlock__对象再次copy，不会再产生新的对象而是对原有对象进行retain。
经过实验几个block类型的retain/copy/release的功能如下（非ARC环境）：

4、事情还没完
当一个block对象上堆了，他的声明周期就和一个普通的NSObject对象的方法一样了（这个应该是__NSMallocBlock__这个类的设计参考了NSObject对象的设计）
作为一个合格的Objective-C程序员，见到copy应该就想到release。
在非ARC环境下，copy了block后一定要在使用后release，不然会有内存泄露，而且泄露点是在系统级，在Instruments里跟不到问题触发点，比较上火。

我在这里想探讨的另外一个问题是设计原则，对于一个对象，当外传的时候我们都会想着把对象autorelease掉，比如：

- (NSArray *) myTestArray {
    NSArray *array = [[NSArray alloc] initWithObjects: @"a", @"b", @"c", nil];
    return [array autorelease];
}

同样，我们在向外传递block的时候一定也要做到，传给外面一个在堆上的，autorelease的对象。

- (blk) myTestBlock {
    __blockint val = 10;
    blk stackBlock = ^{NSLog(@"val = %d", ++val);};
    return [[stackBlock copy] autorelease];
}

第一步，copy将block上从栈放到堆上，第二步，autorelease防止内存泄露。

同样，有时我们会去将block放到别的类中做回调，如放到AFNetworking中的回调。
这时根据统一的设计原则，我们也应该给调用对象一个堆上的autorelease的对象。

总之，在把block对象外传的时候，我们要传出一个经过copy，再autorelease的block在堆上的__NSMallocBlock__对象。（个人观点，block是模仿NSObject对象发明的，就不要让调用方做与其他对象不一样的事）

5、说说ARC
上面的这些方法，说的都是非ARC编程的时候的注意事项，在ARC下很多规则都可以省略了。
因为在ARC下有个原则，只要block在strong指针底下过一道都会放到堆上。
看下面这个实验：

    {
        __blockint val = 10;
        __strong blk strongPointerBlock = ^{NSLog(@"val = %d", ++val);};
        NSLog(@"strongPointerBlock: %@", strongPointerBlock); //1
        
        __weak blk weakPointerBlock = ^{NSLog(@"val = %d", ++val);};
        NSLog(@"weakPointerBlock: %@", weakPointerBlock); //2
        
        NSLog(@"mallocBlock: %@", [weakPointerBlock copy]); //3
        
        NSLog(@"test %@", ^{NSLog(@"val = %d", ++val);}); //4
    }

得到的日志

2013-05-29 16:03:58.773 BlockTest[3482:c07] strongPointerBlock: <__NSMallocBlock__: 0x7625120>
2013-05-29 16:03:58.776 BlockTest[3482:c07] weakPointerBlock: <__NSStackBlock__: 0xbfffdb30>
2013-05-29 16:03:58.776 BlockTest[3482:c07] mallocBlock: <__NSMallocBlock__: 0x714ce60>
2013-05-29 16:03:58.777 BlockTest[3482:c07] test <__NSStackBlock__: 0xbfffdb18>

分析一下：
strong指针指向的block已经放到堆上了。
weak指针指向的block还在栈上（这种声明方法只在block上有效，正常的weak指针指向堆上对象，直接就会变nil，需要用strong指针过一道，请参考ARC的指针使用注意事项）
第三行日志同非ARC一样，会将block从栈移动到堆上。
最后一行日志，说明在单独声明block的时候，block还是会在栈上的。

在ARC下的另外一种情况，将block作为参数返回

- (__unsafe_unretained blk) blockTest {
    int val = 11;
    return ^{NSLog(@"val = %d", val);};
}

调用方

NSLog(@"block return from function: %@", [self blockTest]);

得到的日志：

2013-05-29 16:09:59.489 BlockTest[3597:c07] block return from function: <__NSMallocBlock__: 0x7685640>

分析一下：
在ARC环境下，当block作为参数返回的时候，block也会自动被移到堆上。

在ARC下，只要指针过一下strong指针，或者由函数返回都会把block移动到堆上。
所以在将block传给回调方之前过一下strong指针，就可以满足我刚才阐述的设计原则。

总结：
上面的文字介绍了：
1、block在Objective-C环境下的结构
     block是一个“仿”对象
2、block声明的生存期
     栈上声明对象是会被回收的，如果要长期持有block对象请把她移到堆上
3、从栈到堆的转换时机
     栈上的block什么时候会在执行copy的时候移动到堆上，block可以有三种类型
4、我个人理解的一些设计准则
     给调用方一个堆上的，被autorelease的block对象。
5、在ARC下的一些注意事项
     过一下strong指针，他好，我也好。