前言
这里 有关于 block 的 5 道测试题，建议你阅读本文之前先做一下测试。
先介绍一下什么是闭包。在 wikipedia 上，闭包的定义) 是:
In programming languages, a closure is a function or reference to a function together with a referencing environment—a table storing a reference to each of the non-local variables (also called free variables or upvalues) of that function.
翻译过来，闭包是一个函数（或指向函数的指针），再加上该函数执行的外部的上下文变量（有时候也称作自由变量）。
block 实际上就是 Objective-C 语言对于闭包的实现。
block 配合上 dispatch_queue，可以方便地实现简单的多线程编程和异步编程，关于这个，我之前写过一篇文章介绍：《使用 GCD》。
本文主要介绍 Objective-C 语言的 block 在编译器中的实现方式。主要包括：
- block 的内部实现数据结构介绍
- block 的三种类型及其相关的内存管理方式
- block 如何通过 capture 变量来达到访问函数外的变量
实现方式
数据结构定义
block 的数据结构定义如下（图片来自 这里)：
对应的结构体定义如下：
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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. */
};
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通过该图，我们可以知道，一个 block 实例实际上由 6 部分构成：
- isa 指针，所有对象都有该指针，用于实现对象相关的功能。
- flags，用于按 bit 位表示一些 block 的附加信息，本文后面介绍 block copy 的实现代码可以看到对该变量的使用。
- reserved，保留变量。
- invoke，函数指针，指向具体的 block 实现的函数调用地址。
- descriptor， 表示该 block 的附加描述信息，主要是 size 大小，以及 copy 和 dispose 函数的指针。
- variables，capture 过来的变量，block 能够访问它外部的局部变量，就是因为将这些变量（或变量的地址）复制到了结构体中。
该数据结构和后面的 clang 分析出来的结构实际是一样的，不过仅是结构体的嵌套方式不一样。但这一点我一开始没有想明白，所以也给大家解释一下，如下 2 个结构体 SampleA 和 SampleB 在内存上是完全一样的，原因是结构体本身并不带有任何额外的附加信息。
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struct SampleA {
int a;
int b;
int c;
};
struct SampleB {
int a;
struct Part1 {
int b;
};
struct Part2 {
int c;
};
};
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在 Objective-C 语言中，一共有 3 种类型的 block：
- _NSConcreteGlobalBlock 全局的静态 block，不会访问任何外部变量。
- _NSConcreteStackBlock 保存在栈中的 block，当函数返回时会被销毁。
- _NSConcreteMallocBlock 保存在堆中的 block，当引用计数为 0 时会被销毁。
我们在下面会分别来查看它们各自的实现方式上的差别。
研究工具：clang
为了研究编译器是如何实现 block 的，我们需要使用 clang。clang 提供一个命令，可以将 Objetive-C 的源码改写成 c 语言的，借此可以研究 block 具体的源码实现方式。该命令是
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clang -rewrite-objc block.c
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NSConcreteGlobalBlock 类型的 block 的实现
我们先新建一个名为 block1.c 的源文件：
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int main()
{
^{ printf("Hello, World!
"); } ();
return 0;
}
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然后在命令行中输入clang -rewrite-objc block1.c即可在目录中看到 clang 输出了一个名为 block1.cpp 的文件。该文件就是 block 在 c 语言实现，我将 block1.cpp 中一些无关的代码去掉，将关键代码引用如下：
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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) {
printf("Hello, World!
");
}
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()
{
(void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA) ();
return 0;
}
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下面我们就具体看一下是如何实现的。__main_block_impl_0 就是该 block 的实现，从中我们可以看出：
- 一个 block 实际是一个对象，它主要由一个 isa 和 一个 impl 和 一个 descriptor 组成。
在本例中，isa 指向 _NSConcreteGlobalBlock， 主要是为了实现对象的所有特性，在此我们就不展开讨论了。- 由于 clang 改写的具体实现方式和 LLVM 不太一样，并且这里没有开启 ARC。所以这里我们看到 isa 指向的还是
_NSConcreteStackBlock。但在 LLVM 的实现中，开启 ARC 时，block 应该是 _NSConcreteGlobalBlock 类型，具体可以看 《objective-c-blocks-quiz》 第二题的解释。 - impl 是实际的函数指针，本例中，它指向 __main_block_func_0。这里的 impl 相当于之前提到的 invoke 变量，只是 clang 编译器对变量的命名不一样而已。
- descriptor 是用于描述当前这个 block 的附加信息的，包括结构体的大小，需要 capture 和 dispose 的变量列表等。结构体大小需要保存是因为，每个 block 因为会 capture 一些变量，这些变量会加到 __main_block_impl_0 这个结构体中，使其体积变大。在该例子中我们还看不到相关 capture 的代码，后面将会看到。
NSConcreteStackBlock 类型的 block 的实现
我们另外新建一个名为 block2.c 的文件，输入以下内容：
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int main() {
int a = 100;
void (^block2)(void) = ^{
printf("%d
", a);
};
block2();
return 0;
}
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用之前提到的 clang 工具，转换后的关键代码如下：
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struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
int a;
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
int a = __cself->a; // bound by copy
printf("%d
", a);
}
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 a = 100;
void (*block2)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a);
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block2)->FuncPtr)((__block_impl *)block2);
return 0;
}
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在本例中，我们可以看到：
- 本例中，isa 指向 _NSConcreteStackBlock，说明这是一个分配在栈上的实例。
- main_block_impl_0 中增加了一个变量 a，在 block 中引用的变量 a 实际是在申明 block 时，被复制到 main_block_impl_0 结构体中的那个变量 a。因为这样，我们就能理解，在 block 内部修改变量 a 的内容，不会影响外部的实际变量 a。
- main_block_impl_0 中由于增加了一个变量 a，所以结构体的大小变大了，该结构体大小被写在了 main_block_desc_0 中。
我们修改上面的源码，在变量前面增加 __block 关键字：
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int main()
{
__block int i = 1024;
void (^block1)(void) = ^{
printf("%d
", i);
i = 1023;
};
block1();
return 0;
}
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生成的关键代码如下，可以看到，差异相当大：
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struct __Block_byref_i_0 {
void *__isa;
__Block_byref_i_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
int i;
};
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
__Block_byref_i_0 *i; // by ref
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
__Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref
printf("%d
", (i->__forwarding->i));
(i->__forwarding->i) = 1023;
}
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 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()
{
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};
void (*block1)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_i_0 *)&i, 570425344);
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block1)->FuncPtr)((__block_impl *)block1);
return 0;
}
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从代码中我们可以看到：
- 源码中增加一个名为 __Block_byref_i_0 的结构体，用来保存我们要 capture 并且修改的变量 i。
- main_block_impl_0 中引用的是 Block_byref_i_0 的结构体指针，这样就可以达到修改外部变量的作用。
- __Block_byref_i_0 结构体中带有 isa，说明它也是一个对象。
- 我们需要负责 Block_byref_i_0 结构体相关的内存管理，所以 main_block_desc_0 中增加了 copy 和 dispose 函数指针，对于在调用前后修改相应变量的引用计数。
NSConcreteMallocBlock 类型的 block 的实现
NSConcreteMallocBlock 类型的 block 通常不会在源码中直接出现，因为默认它是当一个 block 被 copy 的时候，才会将这个 block 复制到堆中。以下是一个 block 被 copy 时的示例代码 (来自 这里)，可以看到，在第 8 步，目标的 block 类型被修改为 _NSConcreteMallocBlock。
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static void *_Block_copy_internal(const void *arg, const int flags) {
struct Block_layout *aBlock;
const bool wantsOne = (WANTS_ONE & flags) == WANTS_ONE;
// 1
if (!arg) return NULL;
// 2
aBlock = (struct Block_layout *)arg;
// 3
if (aBlock->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) {
// latches on high
latching_incr_int(&aBlock->flags);
return aBlock;
}
// 4
else if (aBlock->flags & BLOCK_IS_GLOBAL) {
return aBlock;
}
// 5
struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
if (!result) return (void *)0;
// 6
memmove(result, aBlock, aBlock->descriptor->size); // bitcopy first
// 7
result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK); // XXX not needed
result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
// 8
result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
// 9
if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
(*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
}
return result;
}
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变量的复制
对于 block 外的变量引用，block 默认是将其复制到其数据结构中来实现访问的，如下图所示（图片来自 这里）：
对于用 __block 修饰的外部变量引用，block 是复制其引用地址来实现访问的，如下图所示（图片来自 这里）：
LLVM 源码
在 LLVM 开源的关于 block 的实现源码，其内容也和我们用 clang 改写得到的内容相似，印证了我们对于 block 内部数据结构的推测。
ARC 对 block 类型的影响
在 ARC 开启的情况下，将只会有 NSConcreteGlobalBlock 和 NSConcreteMallocBlock 类型的 block。
原本的 NSConcreteStackBlock 的 block 会被 NSConcreteMallocBlock 类型的 block 替代。证明方式是以下代码在 XCode 中，会输出 <__NSMallocBlock__: 0x100109960>。在苹果的 官方文档 中也提到，当把栈中的 block 返回时，不需要调用 copy 方法了。
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int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool {
int i = 1024;
void (^block1)(void) = ^{
printf("%d
", i);
};
block1();
NSLog(@"%@", block1);
}
return 0;
}
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我个人认为这么做的原因是，由于 ARC 已经能很好地处理对象的生命周期的管理，这样所有对象都放到堆上管理，对于编译器实现来说，会比较方便。