block没那么难（一）：block的实现

本系列博文总结自《Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X with ARC》

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block 顾名思义就是代码块，将同一逻辑的代码放在一个块，使代码更简洁紧凑，易于阅读，而且它比函数使用更方便，代码更美观，因而广受开发者欢迎。但同时 block 也是 iOS 开发中坑最多的地方之一，因此有必要了解下 block 的实现原理，知其然，更知其所以然，才能从根本上避免挖坑和踩坑。

需要知道的是，block 只是 Objective-C 对闭包的实现，并不是 iOS 独有的概念，在 C++、Java 等语言也有实现闭包，名称不同而已。

特别声明

以下研究所用的过程代码由 clang 编译前端生成，仅作理解之用。实际上 clang 根本不会将 block 转换成人类可读的代码，它对 block 到底做了什么，谁也不知道。

所以，切勿将过程代码当做block的实际实现，切记切记！！！

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将下面的 test.m 代码用 clang 工具翻译 test.cpp 代码

clang -rewrite-objc test.m

test.m 代码

 

1. /************* Objective-C 源码 *************/
3. int main()
4. {
5. void (^blk)(void) = ^{ printf("Block "); };
6. blk();
7. return 0;
8. }

test.cpp

 

1. /************* 使用 clang 翻译后如下 *************/
3. struct __block_impl
4. {
5. void *isa;
6. int Flags;
7. int Reserved;
8. void *FuncPtr;
9. };
11. struct __main_block_impl_0
12. {
13. struct __block_impl impl;
14. struct __main_block_desc_0* Desc;
16. __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)
17. {
18. impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
19. impl.Flags = flags;
20. impl.FuncPtr = fp;
21. Desc = desc;
22. }
23. };
25. static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
26. {
27. printf("Block ");
28. }
30. static struct __main_block_desc_0
31. {
32. size_t reserved;
33. size_t Block_size;
34. } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0) };
36. int main()
37. {
38. void (*blk)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA);
40. ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
42. return 0;
43. }

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接着，我们逐一来看下这些函数和结构体

 

block 结构体信息详解

 

struct __block_impl

 

1. // __block_impl 是 block 实现的结构体
3. struct __block_impl
4. {
5. void *isa;
6. int Flags;
7. int Reserved;
8. void *FuncPtr;
9. };

• isa 
  指向实例对象，表明 block 本身也是一个 Objective-C 对象。block 的三种类型：_NSConcreteStackBlock、_NSConcreteGlobalBlock、_NSConcreteMallocBlock，即当代码执行时，isa 有三种值 
  

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

从这些实例对象可以看出 block 所在内存区域分别为stack、ROData、heap，后面文章会详说。

• Flags 
  按位承载 block 的附加信息；

• Reserved 
  保留变量；

• FuncPtr 
  函数指针，指向 Block 要执行的函数，即{ printf("Block ") }; 

 

struct __main_block_impl_0

 

1. // __main_block_impl_0 是 block 实现的结构体，也是 block 实现的入口
3. struct __main_block_impl_0
4. {
5. struct __block_impl impl;
6. struct __main_block_desc_0* Desc;
8. __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0)
9. {
10. impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
11. impl.Flags = flags;
12. impl.FuncPtr = fp;
13. Desc = desc;
14. }
15. };

• impl 
  block 实现的结构体变量，该结构体前面已说明；

• Desc 
  描述 block 的结构体变量；

• __main_block_impl_0 
  结构体的构造函数，初始化结构体变量 impl、Desc；

 

static void __main_block_func_0

 

1. // __main_block_func_0 是 block 要最终要执行的函数代码
3. static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
4. {
5. printf("Block ");
6. }

 

static struct __main_block_desc_0

 

1. // __main_block_desc_0 是 block 的描述信息结构体
3. static struct __main_block_desc_0
4. {
5. size_t reserved;
6. size_t Block_size;
7. } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0) };

• reserved 
  结构体信息保留字段

• Block_size 
  结构体大小

此处已定义了一个该结构体类型的变量 __main_block_desc_0_DATA

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block 实现的执行流程

最基础的 block 实现就这么简单。

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接着再看 block 获取外部变量

 

block 获取外部变量

运行下面的代码

 

1. int main()
2. {
3. int intValue = 1;
4. void (^blk)(void) = ^{ printf("intValue = %d ", intValue); };
6. blk();
8. return 0;
9. }

打印结果

intValue = 1

和第一段源码不同的是，这里多了个局部变量 intValue，而且还在 block 里面获取到了。

通过前一段对 block 源码的学习，我们已经了解到 block 的函数定义在 main() 函数之外，那它又是如何获取 main() 里面的局部变量呢？为了解开疑惑，我们再次用 clang 重写这段代码

 

1. struct __block_impl
2. {
3. void *isa;
4. int Flags;
5. int Reserved;
6. void *FuncPtr;
7. };
9. struct __main_block_impl_0
10. {
11. struct __block_impl impl;
12. struct __main_block_desc_0* Desc;
13. int intValue;
15. __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _intValue, int flags=0) : intValue(_intValue)
16. {
17. impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
18. impl.Flags = flags;
19. impl.FuncPtr = fp;
20. Desc = desc;
21. }
22. };
24. static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
25. {
26. int intValue = __cself->intValue; // bound by copy
27. printf("intValue = %d ", intValue);
28. }
30. static struct __main_block_desc_0
31. {
32. size_t reserved;
33. size_t Block_size;
34. } __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
36. int main()
37. {
38. int intValue = 1;
40. void (*blk)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, intValue);
42. ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
44. return 0;
45. }

原来 block 通过参数值传递获取到 intValue 变量，通过函数

__main_block_impl_0 (void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _intValue, int flags=0) : intValue(_intValue)

保存到 __main_block_impl_0 结构体的同名变量 intValue，通过代码 int intValue = __cself->intValue; 取出 intValue，打印出来。

构造函数 __main_block_impl_0 冒号后的表达式 intValue(_intValue) 的意思是，用 _intValue 初始化结构体成员变量 intValue。

有四种情况下应该使用初始化表达式来初始化成员： 
1：初始化const成员 
2：初始化引用成员 
3：当调用基类的构造函数，而它拥有一组参数时 
4：当调用成员类的构造函数，而它拥有一组参数时

参考：C++类成员冒号初始化以及构造函数内赋值

至此，我们已经了解了block 的实现，以及获取外部变量的原理。但是，我们还不能在 block 内修改 intValue 变量。如果你有心试下，在 block 内部修改 intValue 的值，会报编译错误

Variable is not assignable(missing __block type specifier)

那么如何在 block 内修改外部变量呢，请看下篇 block没那么难(二)：block 和变量的内存管理