Block技巧与底层解析

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最近看了一些block的资料，并动手做了一些实践，摘录并添加了一些结论。

什么是block？

首先，看一个极简的block：

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int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        ^{ };
    }
    return 0;
}

block编译转换结构

注意： clang -rewrite-objc 的转换都是基于 MRC 的，ARC 中的异同可参考 《ARC 对 Block 的一些影响》一节中的链接

对其执行clang -rewrite-objc编译转换成C++实现，得到以下代码：

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

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) {
}

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[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    }
    return 0;
}

不难看出其中的__main_block_impl_0就是block的一个C++的实现(最后面的_0代表是main中的第几个block)，也就是说也是一个结构体。

其中__block_impl的定义如下：

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

其结构体成员如下：

  • isa，指向所属类的指针，也就是block的类型
  • flags，标志变量，在实现block的内部操作时会用到
  • Reserved，保留变量
  • FuncPtr，block执行时调用的函数指针
    可以看出，它包含了isa指针（包含isa指针的皆为对象），也就是说block也是一个对象(runtime里面，对象和类都是用结构体表示)。

__main_block_desc_0的定义如下：

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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)};

其结构成员含义如下：

  • reserved：保留字段
  • Block_size：block大小(sizeof(struct __main_block_impl_0))

以上代码在定义__main_block_desc_0结构体时，同时创建了__main_block_desc_0_DATA，并给它赋值，以供在main函数中对__main_block_impl_0进行初始化。
__main_block_impl_0定义了显式的构造函数，其函数体如下：

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__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;
}

可以看出，

  • __main_block_impl_0的isa指针指向了_NSConcreteStackBlock，
  • 从main函数中看， __main_block_impl_0的FuncPtr指向了函数__main_block_func_0
  • __main_block_impl_0的Desc也指向了定义__main_block_desc_0时就创建的__main_block_desc_0_DATA，其中纪录了block结构体大小等信息。

以上就是根据编译转换的结果，对一个简单block的解析，后面会将block操作不同类型的外部变量，对block结构的影响进行相应的说明。

block实际结构

接下来观察下Block_private.h文件中对block的相关结构体的真实定义：

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/* Revised new layout. */
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. */
};

有了上文对编译转换的分析，这里只针对略微不同的成员进行分析：

  • invoke，同上文的FuncPtr，block执行时调用的函数指针，block定义时内部的执行代码都在这个函数中
  • Block_descriptor，block的详细描述
    • copy/dispose，辅助拷贝/销毁函数，处理block范围外的变量时使用

总体来说，block就是一个里面存储了指向函数体中包含定义block时的代码块的函数指针，以及block外部上下文变量等信息的结构体。

block的类型

block的常见类型有3种：

  • _NSConcreteGlobalBlock（全局）
  • _NSConcreteStackBlock（栈）
  • _NSConcreteMallocBlock（堆）

附上APUE的进程虚拟内存段分布图：

其中前2种在Block.h种声明，后1种在Block_private.h中声明，所以最后1种基本不会在源码中出现。

由于无法直接创建_NSConcreteMallocBlock类型的block，所以这里只对前面2种进行手动创建分析，最后1种通过源代码分析。

NSConcreteGlobalBlock和NSConcreteStackBlock

首先，根据前面两种类型，编写以下代码：

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void (^globalBlock)() = ^{

};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        void (^stackBlock1)() = ^{

        };
    }
    return 0;
}

对其进行编译转换后得到以下缩略代码：

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// globalBlock
struct __globalBlock_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __globalBlock_block_desc_0* Desc;
  __globalBlock_block_impl_0(void *fp, struct __globalBlock_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
...

// stackBlock
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;
  }
};
...
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        void (*stackBlock)() = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
    }
    return 0;
}

可以看出globalBlock的isa指向了_NSConcreteGlobalBlock，即在全局区域创建，编译时就已经确定了，位于上图中的代码段；stackBlock的isa指向了_NSConcreteStackBlock，即在栈区创建。

NSConcreteMallocBlock

接下来是在堆中的block，堆中的block无法直接创建，其需要由_NSConcreteStackBlock类型的block拷贝而来(也就是说block需要执行copy之后才能存放到堆中)。由于block的拷贝最终都会调用_Block_copy_internal函数，所以观察这个函数就可以知道堆中block是如何被创建的了：

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static void *_Block_copy_internal(const void *arg, const int flags) {
    struct Block_layout *aBlock;
	...
    aBlock = (struct Block_layout *)arg;
	...
    // Its a stack block.  Make a copy.
    if (!isGC) {
    	// 申请block的堆内存
        struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
        if (!result) return (void *)0;
        // 拷贝栈中block到刚申请的堆内存中
        memmove(result, aBlock, aBlock->descriptor->size); // bitcopy first
        // reset refcount
        result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK);    // XXX not needed
        result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
        // 改变isa指向_NSConcreteMallocBlock，即堆block类型
        result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
        if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
            //printf("calling block copy helper %p(%p, %p)...\n", aBlock->descriptor->copy, result, aBlock);
            (*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
        }
        return result;
    }
    else {
        ...
    }
}

从以上代码以及注释可以很清楚的看出，函数通过memmove将栈中的block的内容拷贝到了堆中，并使isa指向了_NSConcreteMallocBlock。

block主要的一些学问就出在栈中block向堆中block的转移过程中了。

捕捉变量对block结构的影响

接下来会编译转换捕捉不同变量类型的block，以对比它们的区别。

局部变量

前：

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- (void)test
{
    int a;
    ^{a;};
}

后：

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struct __Person__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
  int a;
  // a(_a)是构造函数的参数列表初始化形式，相当于a = _a。从_I_Person_test看，传入的就是a
  __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {
  int a = __cself->a; // bound by copy
a;}

static struct __Person__test_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __Person__test_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __Person__test_block_impl_0)};

static void _I_Person_test(Person * self, SEL _cmd) {
    int a;
    (void (*)())&__Person__test_block_impl_0((void *)__Person__test_block_func_0, &__Person__test_block_desc_0_DATA, a);
}

可以看到，block相对于文章开头增加了一个int类型的成员变量，他就是用来存储外部变量a的。可以看出，这次拷贝只是一次值传递。并且当我们想在block中进行以下操作时，将会发生错误

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^{a = 10;};

编译器会提示。因为_I_Person_test函数中的a和Persontest_block_func_0函数中的a并没有在同一个作用域，所以在block对a进行赋值是没有意义的，所以编译器给出了错误。我们可以通过地址传递来消除以上错误：

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- (void)test
{
    int a = 0;
    // 利用指针p存储a的地址
    int *p = &a;

    ^{
        // 通过a的地址设置a的值
        *p = 10;
    };
}

但是变量a的生命周期是和方法test的栈相关联的，当test运行结束，栈随之销毁，那么变量a就会被销毁，p也就成为了野指针。如果block是作为参数或者返回值，这些类型都是跨栈的，也就是说再次调用会造成野指针错误。

全局变量

前：

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// 全局静态
static int a;
// 全局
int b;
- (void)test
{

    ^{
        a = 10;
        b = 10;
    };
}

后：

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static int a;
int b;

struct __Person__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
  __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {

        a = 10;
        b = 10;
    }

static struct __Person__test_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __Person__test_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __Person__test_block_impl_0)};

static void _I_Person_test(Person * self, SEL _cmd) {

    (void (*)())&__Person__test_block_impl_0((void *)__Person__test_block_func_0, &__Person__test_block_desc_0_DATA);
}

可以看出，因为全局变量都是在静态数据存储区，在程序结束前不会被销毁，所以block直接访问了对应的变量，而没有在Persontest_block_impl_0结构体中给变量预留位置。

局部静态变量

前

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- (void)test
{
    static int a;
    ^{
        a = 10;
    };
}

后：

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struct __Person__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
  int *a;
  __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, int *_a, int flags=0) : a(_a) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {
  int *a = __cself->a; // bound by copy
		// 这里通过局部静态变量a的地址来对其进行修改
        (*a) = 10;
    }

static struct __Person__test_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __Person__test_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __Person__test_block_impl_0)};

static void _I_Person_test(Person * self, SEL _cmd) {
    static int a;
    // 传入a的地址
    (void (*)())&__Person__test_block_impl_0((void *)__Person__test_block_func_0, &__Person__test_block_desc_0_DATA, &a);
}

需要注意一点的是静态局部变量是存储在静态数据存储区域的，也就是和程序拥有一样的生命周期，也就是说在程序运行时，都能够保证block访问到一个有效的变量。但是其作用范围还是局限于定义它的函数中，所以只能在block通过静态局部变量的地址来进行访问。

关于变量的存储我原来的这篇博客有提及：c语言臆想全局-局部变量

__block修饰的变量

前：

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- (void)test
{
   __block int a;
    ^{
        a = 10;
    };
}

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struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

struct __Person__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_a_0 *a; // by ref
  __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, int flags=0) : a(_a->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref
		// 注意，这里的_forwarding用来保证操作的始终是堆中的拷贝a，而不是栈中的a
        (a->__forwarding->a) = 10;
    }
static void __Person__test_block_copy_0(struct __Person__test_block_impl_0*dst, struct __Person__test_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static void __Person__test_block_dispose_0(struct __Person__test_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static struct __Person__test_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __Person__test_block_impl_0*, struct __Person__test_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __Person__test_block_impl_0*);
} __Person__test_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __Person__test_block_impl_0), __Person__test_block_copy_0, __Person__test_block_dispose_0};

static void _I_Person_test(Person * self, SEL _cmd) {
	// __block将a包装成了一个对象
   __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0)};
;
    (void (*)())&__Person__test_block_impl_0((void *)__Person__test_block_func_0, &__Person__test_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344);
}

可以看到，对比上面的结果，明显多了__Block_byref_a_0结构体，这个结构体中含有isa指针，所以也是一个对象，它是用来包装局部变量a的。当block被copy到堆中时，__Person__test_block_impl_0的拷贝辅助函数__Person__test_block_copy_0会将__Block_byref_a_0拷贝至堆中，所以即使局部变量所在堆被销毁，block依然能对堆中的局部变量进行操作。其中__Block_byref_a_0成员指针__forwarding用来指向它在堆中的拷贝，其依据源码如下：

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static void _Block_byref_assign_copy(void *dest, const void *arg, const int flags) {
    struct Block_byref **destp = (struct Block_byref **)dest;
    struct Block_byref *src = (struct Block_byref *)arg;

    ...
    // 堆中拷贝的forwarding指向它自己
    copy->forwarding = copy; // patch heap copy to point to itself (skip write-barrier)
    // 栈中的forwarding指向堆中的拷贝
    src->forwarding = copy;  // patch stack to point to heap copy
    ...
}

这样做是为了保证操作的值始终是堆中的拷贝，而不是栈中的值。（处理在局部变量所在栈还没销毁，就调用block来改变局部变量值的情况，如果没有__forwarding指针，则修改无效）

至于block如何实现对局部变量的拷贝，下面会详细说明。

self隐式循环引用

前：

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@implementation Person
{
    int _a;
    void (^_block)();
}
- (void)test
{
  void (^_block)() = ^{
        _a = 10;
    };
}

@end

后：

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struct __Person__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __Person__test_block_desc_0* Desc;
  // 可以看到，block强引用了self
  Person *self;
  __Person__test_block_impl_0(void *fp, struct __Person__test_block_desc_0 *desc, Person *_self, int flags=0) : self(_self) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {
  Person *self = __cself->self; // bound by copy

        (*(int *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_a)) = 10;
    }
static void __Person__test_block_copy_0(struct __Person__test_block_impl_0*dst, struct __Person__test_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->self, (void*)src->self, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static void __Person__test_block_dispose_0(struct __Person__test_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->self, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static struct __Person__test_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __Person__test_block_impl_0*, struct __Person__test_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __Person__test_block_impl_0*);
} __Person__test_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __Person__test_block_impl_0), __Person__test_block_copy_0, __Person__test_block_dispose_0};

static void _I_Person_test(Person * self, SEL _cmd) {
  void (*_block)() = (void (*)())&__Person__test_block_impl_0((void *)__Person__test_block_func_0, &__Person__test_block_desc_0_DATA, self, 570425344);
}

如果在编译转换前，将_a改成self.a，能很明显地看出是产生了循环引用(self强引用block，block强引用self)。那么使用_a呢？经过编译转换后，依然可以在__Person__test_block_impl_0看见self的身影。且在函数_I_Person_test中，传入的参数也是self。通过以下语句，可以看出，不管是用什么形式访问实例变量，最终都会转换成self+变量内存偏移的形式。所以在上面例子中使用_a也会造成循环引用。

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static void __Person__test_block_func_0(struct __Person__test_block_impl_0 *__cself) {
  Person *self = __cself->self; // bound by copy
		// self＋实例变量a的偏移值
        (*(int *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_a)) = 10;
    }

不同类型block的复制

block的复制代码在_Block_copy_internal函数中。

栈block

从以下代码可以看出，栈block的复制不仅仅复制了其内容，还添加了一些额外的东西

  • 1、往flags中并入了BLOCK_NEEDS_FREE，并且设置引用计数为1（这个标志表明block需要释放，在release以及再次拷贝时会用到）
  • 2、如果有辅助copy函数（BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE），那么就调用（这个辅助copy函数是用来拷贝block捕获的变量的）
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struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
if (!result) return (void *)0;
memmove(result, aBlock, aBlock->descriptor->size); // bitcopy first
// reset refcount
result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK);    // XXX not needed
result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
    //printf("calling block copy helper %p(%p, %p)...\n", aBlock->descriptor->copy, result, aBlock);
    (*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
}
return result;
...

堆block

从以下代码看出，如果block的flags中有BLOCK_NEEDS_FREE标志（block从栈中拷贝到堆时添加的标志），就执行latching_incr_int操作，其功能就是让block的引用计数加1。所以堆中block的拷贝只是单纯地改变了引用计数

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...
if (aBlock->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) {
      // latches on high
      latching_incr_int(&aBlock->flags);
      return aBlock;
}
...

全局block

从以下代码看出，对于全局block，函数没有做任何操作，直接返回了传入的block

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...
else if (aBlock->flags & BLOCK_IS_GLOBAL) {
      return aBlock;
  }
...

block辅助函数

上文提及到了block辅助copy与dispose处理函数，这里分析下这两个函数的内部实现。在捕获变量为__block修饰的基本类型，或者为对象时，block才会有这两个辅助函数。

block捕捉变量拷贝函数为_Block_object_assign。在调用复制block的函数_Block_copy_internal时，会根据block有无辅助函数来对捕捉变量拷贝函数_Block_object_assign进行调用。而在_Block_object_assign函数中，也会判断捕捉变量包装而成的对象(Block_byref结构体)是否有辅助函数，来进行调用。

__block修饰的基本类型的辅助函数

编写以下代码：

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typedef void(^Block)();
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block int a;
        Block block = ^ {
            a;
        };
}

转换成C++代码后：

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typedef void(*Block)();
// __block int a
struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

// block
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_a_0 *a; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_a_0 *_a, int flags=0) : a(_a->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

// block函数体
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_a_0 *a = __cself->a; // bound by ref

            (a->__forwarding->a);
        }
// 辅助copy函数
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

// 辅助dispose函数
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->a, 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[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
    	// 这里创建了，并将a的flags设置为0
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 0, sizeof(__Block_byref_a_0)};
;
        Block block = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344);
    }
    return 0;
}

从上面代码中，被__block修饰的a变量变为了__Block_byref_a_0类型，根据这个格式，从源码中查看得到相似的定义：

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struct Block_byref {
    void *isa;
    struct Block_byref *forwarding;
    int flags; /* refcount; */
    int size;
    void (*byref_keep)(struct Block_byref *dst, struct Block_byref *src);
    void (*byref_destroy)(struct Block_byref *);
    /* long shared[0]; */
};

// 做下对比
struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int a;
};

// flags/_flags类型
enum {
        /* See function implementation for a more complete description of these fields and combinations */
        // 是一个对象
        BLOCK_FIELD_IS_OBJECT   =  3,  /* id, NSObject, __attribute__((NSObject)), block, ... */
        // 是一个block
        BLOCK_FIELD_IS_BLOCK    =  7,  /* a block variable */
        // 被__block修饰的变量
        BLOCK_FIELD_IS_BYREF    =  8,  /* the on stack structure holding the __block variable */
        // 被__weak修饰的变量，只能被辅助copy函数使用
        BLOCK_FIELD_IS_WEAK     = 16,  /* declared __weak, only used in byref copy helpers */
        // block辅助函数调用（告诉内部实现不要进行retain或者copy）
        BLOCK_BYREF_CALLER      = 128  /* called from __block (byref) copy/dispose support routines. */
    };

// 设置不同属性对应的flags/_flags值
	__block id                   128+3
  __weak block id              128+3+16
	__block (^Block)             128+7
	__weak __block (^Block)      128+7+16

可以看出，__block将原来的基本类型包装成了对象。因为以上两个结构体的前4个成员的类型都是一样的，内存空间排列一致，所以可以进行以下操作：

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// 转换成C++代码
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

// _Block_object_assign源码
void _Block_object_assign(void *destAddr, const void *object, const int flags) {
...
    else if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_BYREF) == BLOCK_FIELD_IS_BYREF)  {
        // copying a __block reference from the stack Block to the heap
        // flags will indicate if it holds a __weak reference and needs a special isa
        _Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags);
    }
...
}

// _Block_byref_assign_copy源码
static void _Block_byref_assign_copy(void *dest, const void *arg, const int flags) {
    // 这里因为前面4个成员的内存分布一样，所以直接转换后，使用Block_byref的成员变量名，能访问到__Block_byref_a_0的前面4个成员
    struct Block_byref **destp = (struct Block_byref **)dest;
    struct Block_byref *src = (struct Block_byref *)arg;
...
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_REFCOUNT_MASK) == 0) {
        // 从main函数对__Block_byref_a_0的初始化，可以看到初始化时将flags赋值为0
        // 这里表示第一次拷贝，会进行复制操作，并修改原来flags的值
        // static int _Byref_flag_initial_value = BLOCK_NEEDS_FREE | 2;
        // 可以看出，复制后，会并入BLOCK_NEEDS_FREE，后面的2是包装对象的初始引用计数（栈上持有+堆上持有）
        ...
        copy->flags = src->flags | _Byref_flag_initial_value;
        ...
    }
    // 已经拷贝到堆了，只增加引用计数
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) == BLOCK_NEEDS_FREE) {
        latching_incr_int(&src->forwarding->flags);
    }
    // 普通的赋值，里面最底层就*destptr = value;这句表达式
    _Block_assign(src->forwarding, (void **)destp);
}

主要操作都在代码注释中了，总体来说，__block修饰的基本类型会被包装为对象，并且只在最初block拷贝时复制一次，后面的拷贝只会增加这个捕获变量的引用计数。

对象的辅助函数

  • 没有__block修饰
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typedef void(^Block)();
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
        Block block = ^ {
            a;
        };
    }
    return 0;
}

首先，在没有__block修饰时，对象编译转换的结果如下，删除了一些变化不大的代码：

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static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  NSObject *a = __cself->a; // bound by copy
            a;
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)src->a, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->a, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

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),

对象在没有__block修饰时，并没有产生__Block_byref_a_0结构体，只是将标志位修改为BLOCK_FIELD_IS_OBJECT。而在_Block_object_assign中对应的判断分支代码如下：

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...
else if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) == BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) {
    _Block_retain_object(object);
    _Block_assign((void *)object, destAddr);
}
...

可以看到，block复制时，会retain捕捉对象，以增加其引用计数。

  • 有__block修饰
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typedef void(^Block)();
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
        Block block = ^ {
            a;
        };
    }
    return 0;
}

在这种情况下，编译转换的部分结果如下：

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struct __Block_byref_a_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_a_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 NSObject *a;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_a_0 a = {(void*)0,(__Block_byref_a_0 *)&a, 33554432, sizeof(__Block_byref_a_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131,....};
Block block = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_a_0 *)&a, 570425344);
}

// 以下的40表示__Block_byref_a_0对象a的位移（4个指针(32字节)＋2个int变量(8字节)＝40字节）
static void __Block_byref_id_object_copy_131(void *dst, void *src) {
 _Block_object_assign((char*)dst + 40, *(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}
static void __Block_byref_id_object_dispose_131(void *src) {
 _Block_object_dispose(*(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}

可以看到，对于对象，__Block_byref_a_0另外增加了两个辅助函数__Block_byref_id_object_copy、__Block_byref_id_object_dispose,以实现对对象内存的管理。其中两者的最后一个参数131表示BLOCK_BYREF_CALLER|BLOCK_FIELD_IS_OBJECT，BLOCK_BYREF_CALLER表示在内部实现中不对__block修饰的a对象进行retain或copy；以下为相关源码：

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if ((flags & BLOCK_BYREF_CALLER) == BLOCK_BYREF_CALLER) {
	...
    else {
        // do *not* retain or *copy* __block variables whatever they are
        _Block_assign((void *)object, destAddr);
    }
}

_Block_byref_assign_copy函数的以下代码会对上面的辅助函数（__Block_byref_id_object_copy_131）进行调用；570425344表示BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE|BLOCK_HAS_DESCRIPTOR，所以会执行以下相关源码：

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if (src->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
    // Trust copy helper to copy everything of interest
    // If more than one field shows up in a byref block this is wrong XXX
    copy->byref_keep = src->byref_keep;
    copy->byref_destroy = src->byref_destroy;
    (*src->byref_keep)(copy, src);
}

ARC中block的工作



苹果文档提及，在ARC模式下，在栈间传递block时，不需要手动copy栈中的block，即可让block正常工作。主要原因是ARC对栈中的block自动执行了copy，将_NSConcreteStackBlock类型的block转换成了_NSConcreteMallocBlock的block。

block试验

下面对block做点实验：

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int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int i = 10;
        void (^block)() = ^{i;};

        __weak void (^weakBlock)() = ^{i;};

        void (^stackBlock)() = ^{};

        // ARC情况下

        // 创建时，都会在栈中
        // <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff730>
        NSLog(@"%@", ^{i;});

        // 因为block为strong类型，且捕获了外部变量，所以赋值时，自动进行了copy
        // <__NSMallocBlock__: 0x100206920>
        NSLog(@"%@", block);

        // 如果是weak类型的block，依然不会自动进行copy
        // <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff728>
        NSLog(@"%@", weakBlock);

        // 如果block是strong类型，并且没有捕获外部变量，那么就会转换成__NSGlobalBlock__
        // <__NSGlobalBlock__: 0x100001110>
        NSLog(@"%@", stackBlock);

        // 在非ARC情况下，产生以下输出
        // <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff6d0>
        // <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff730>
        // <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff700>
        // <__NSGlobalBlock__: 0x1000010d0>
    }
    return 0;
}

可以看出，ARC对类型为strong且捕获了外部变量的block进行了copy。并且当block类型为strong，但是创建时没有捕获外部变量，block最终会变成__NSGlobalBlock__类型（这里可能因为block中的代码没有捕获外部变量，所以不需要在栈中开辟变量，也就是说，在编译时，这个block的所有内容已经在代码段中生成了，所以就把block的类型转换为全局类型）

block作为参数传递

再来看下使用在栈中的block需要注意的情况：

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NSMutableArray *arrayM;
void myBlock()
{
    int a = 5;
    Block block = ^ {
        NSLog(@"%d", a);
    };

    [arrayM addObject:block];
    NSLog(@"%@", block);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        arrayM = @[].mutableCopy;

        myBlock();

        Block block = [arrayM firstObject];
        // 非ARC这里崩溃
        block();
 }

// ARC情况下输出
// <__NSMallocBlock__: 0x100214480>

// 非ARC情况下输出
// <__NSStackBlock__: 0x7fff5fbff738>
// 崩溃，野指针错误

可以看到，ARC情况下因为自动执行了copy，所以返回类型为__NSMallocBlock__，在函数结束后依然可以访问；而非ARC情况下，需要我们手动调用[block copy]来将block拷贝到堆中，否则因为栈中的block生命周期和函数中的栈生命周期关联，当函数退出后，相应的堆被销毁，block也就不存在了。

如果把block的以下代码删除：

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NSLog(@"%d", a);

那么block就会变成全局类型，在main中访问也不会出崩溃。

block作为返回值

在非ARC情况下，如果返回值是block，则一般这样操作：

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return [[block copy] autorelease];

对于外部要使用的block，更趋向于把它拷贝到堆中，使其脱离栈生命周期的约束。

block属性

这里还有一点关于block类型的ARC属性。上文也说明了，ARC会自动帮strong类型且捕获外部变量的block进行copy，所以在定义block类型的属性时也可以使用strong，不一定使用copy。也就是以下代码：

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/** 假如有栈block赋给以下两个属性 **/

// 这里因为ARC，当栈block中会捕获外部变量时，这个block会被copy进堆中
// 如果没有捕获外部变量，这个block会变为全局类型
// 不管怎么样，它都脱离了栈生命周期的约束

@property (strong, nonatomic) Block *strongBlock;

// 这里都会被copy进堆中
@property (copy, nonatomic) Block *copyBlock;

参考博文

谈Objective-C Block的实现

iOS中block实现的探究

A look inside blocks: Episode 3

runtime.c

Block_private.h

可以阅读的资料

llvm对于Block的编译规则

ESBlockRuntime

ARC 对 Block 的一些影响

Why are __block variables not retained (In non-ARC environments)?

confusion on __block NSObject *obj and block runtime

Is it possible to see the code generated by ARC at compile time?