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OC高级编程——深入block，如何捕获变量，如何存储在堆上

2024-07-17 23:23:08   221人阅读

首先先看几道block相关的题目

这是一篇比较长的博文，前部分是block的测试题目，中间是block的语法、特性，block讲解block内部实现和block存储位置，请读者耐心阅读。具备block基础的同学，直接调转到block的实现

下面列出了五道题，看看能否答对两三个。主要涉及block栈上、还是堆上、怎么捕获变量。答案在博文最后一行

//-----------第一道题：--------------
void exampleA() {
  char a = 'A';
  ^{ printf("%c\n", a);};
}
A.始终能够正常运行          B.只有在使用ARC的情况下才能正常运行
C.不使用ARC才能正常运行     D.永远无法正常运行
//-----------第二道题：答案同第一题--------------
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();
}
//-----------第三道题：答案同第一题--------------
void exampleC_addBlockToArray(NSMutableArray *array) {
  [array addObject:^{printf("C\n");}];
} 
void exampleC() {
  NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
  exampleC_addBlockToArray(array);
  void (^block)() = [array objectAtIndex:0];
  block();
}
//-----------第四道题：答案同第一题--------------
typedef void (^dBlock)(); 
dBlock exampleD_getBlock() {
  char d = 'D';
  return ^{printf("%c\n", d);};
}
void exampleD() {
  exampleD_getBlock()();
}
//-----------第五道题：答案同第一题--------------
typedef void (^eBlock)(); 
eBlock exampleE_getBlock() {
  char e = 'E';
  void (^block)() = ^{printf("%c\n", e);};
  return block;
}
void exampleE() {
  eBlock block = exampleE_getBlock();
  block();
}

注：以上题目摘自：CocoaChina论坛点击打开链接

block概要

什么是block

    Blocks是C语言的扩充功能。可以用一句话来表示Blocks的扩充功能：带有自动变量（局部变量）的匿名函数。命名就是工作的本质，函数名、变量名、方法名、属性名、类名和框架名都必须具备。而能够编写不带名称的函数对程序员来说相当有吸引力。
    例如：我们要进行一个URL的请求。那么请求结果以何种方式通知调用者呢？通常是经过代理（delegate）但是，写delegate本身就是成本，我们需要写类、方法等等。
    这时候，我们就用到了block。block提供了类似由C++和OC类生成实例或对象来保持变量值的方法。像这样使用block可以不声明C++和OC类，也没有使用静态变量、静态全局变量或全局变量，仅用编写C语言函数的源码量即可使用带有自动变量值的匿名函数。
    其他语言中也有block概念。

block的实现

    block的语法看上去好像很特别，但实际上是作为极为普通的C语言代码来处理的。这里我们借住clang编译器的能力：具有转化为我们可读源代码的能力。
控制台命令是： clang -rewrite-objc 源代码文件名。 
int main(){
    void (^blk)(void) = ^{printf("block\n");};
    blk();
    return 0;
}
经过 clang -rewrite-objc 之后，代码编程这样了（简化后代码，读者可以搜索关键字在生成文件中查找）：
struct __block_impl{
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};
static struct __main_block_desc_0{
    unsigned long reserved;
    unsigned long Block_size
}__main_block_desc_0_DATA = http://www.mamicode.com/{ 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};>
很多结构体，很多下划线的变量和函数名。我们一个个来:
__block_impl：更像一个block的基类，所有block都具备这些字段。
__main_block_impl_0：block变量。
__main_block_func_0：虽然，block叫，匿名函数。但是，这个函数还是被编译器起了个名字。
__main_block_desc_0：block的描述，注意，他有一个实例__main_block_desc_0_DATA
    上述命名是有规则的：main是block所在函数的名字，后缀0则是这个函数中的第0个block。由于上面是C++的代码，可以将__main_block_impl_0的结构体总结一下，得到如下形式：
__main_block_impl_0{
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
    struct __main_block_desc_0 *Desc;
}
总结：所谓block就是Objective-C的对象

截获自动变量值

int val = 10;
void (^blk)(void) = ^{printf("val=%d\n",val);};
val = 2;
blk();

    上面这段代码，输出值是：val = 10.而不是2.block截获自动变量的瞬时值。因为block保存了自动变量的值，所以在执行block语法后，即使改写block中使用的自动变量的值也不会影响block执行时自动变量的值。

    尝试改写block中捕获的自动变量，将会是编译错误。我更喜欢把这个理解为：block捕获的自动变量都将转化为const类型。不可修改了
解决办法是将自动变量添加修饰符 __block；那么如果截获的自动变量是OC对象呢
^{[array addObject:obj];};
这么写是没有问题的，因为array是一个指针，我们并没有改变指针的值。这个也可以解释下面的问题
const char text[] = "hello";
^{    printf("%c\n",text[2]);};
这样会编译错误。为何？这是因为捕获自动变量的方法并没有实现C语言数组类型。可以通过指针代替：const char *text= "hello";
那么这个block的对象结构是什么样呢，请看下面：
__main_block_impl_0{
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
    struct __main_block_desc_0 *Desc;
    int val；
}
这个val是如何传递到block结构体中的呢？
int main(){
    struct __main_block_impl_0 *blk =  &__main_block_impl_0(__main_block_func_0,&__main_block_desc_0_DATA,val);
}
注意函数调用最后一个参数，即val参数。
那么函数调用的代码页转化为下面这样了.这里的cself跟C++的this和OC的self一样。
static struct __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
{
    printf("val=%d\n"，__cself-val);
}
所以，block捕获变量更像是：函数按值传递。

__block说明符

    前面讲过block所在函数中的，捕获自动变量。但是不能修改它，不然就是编译错误。但是可以改变全局变量、静态变量、全局静态变量。
    其实这两个特点不难理解：第一、为何不让修改变量：这个是编译器决定的。理论上当然可以修改变量了，只不过block捕获的是自动变量的副本，名字一样。为了不给开发者迷惑，干脆不让赋值。道理有点像：函数参数，要用指针，不然传递的是副本。
    第二、可以修改静态变量的值。静态变量属于类的，不是某一个变量。所以block内部不用调用cself指针。所以block可以调用。
    解决block不能保存值这一问题的另外一个办法是使用__block修饰符。
__block int val = 10;
void (^blk)(void) = ^{val = 1;};
该源码转化后如下：
struct __block_byref_val_0{
    void *__isa;
    __block_byref_val_0 *__forwarding;
    int _flags;
    int __size;
    int val;
}
__main_block_impl_0中自然多了__block_byreg_val_0的一个字段。注意：__block_byref_val_0结构体中有自身的指针对象，难道要
_block int val = 10;这一行代码，转化成了下面的结构体
__block)byref_val_0 val = {0,&val,0,sizeof(__block_byref_val_0),10};//自己持有自己的指针。
它竟然变成了结构体了。之所以为啥要生成一个结构体，后面在详细讲讲。反正不能直接保存val的指针，因为val是栈上的，保存栈变量的指针很危险。

block存储区域

这就需要引入三个名词：
● _NSConcretStackBlock
● _NSConcretGlobalBlock
● _NSConcretMallocBlock
正如它们名字说的那样，说明了block的三种存储方式：栈、全局、堆。__main_block_impl_0结构体中的isa就是这个值。
【要点1】如果是定义在函数外面的block是global的，另外如果函数内部的block但是，没有捕获任何自动变量，那么它也是全局的。比如下面这样的代码：
typedef int (^blk_t)(int);
for(...){
    blk_t blk = ^(int count) {return count;};
}
虽然，这个block在循环内，但是blk的地址总是不变的。说明这个block在全局段。
【要点2】一种情况在非ARC下是无法编译的：
typedef int(^blk_t)(int);
blk_t func(int rate){
    return ^(int count){return rate*count;}
}
这是因为：block捕获了栈上的rate自动变量，此时rate已经变成了一个结构体，而block中拥有这个结构体的指针。即如果返回block的话就是返回局部变量的指针。而这一点恰是编译器已经断定了。在ARC下没有这个问题，是因为ARC使用了autorelease了。
【要点3】有时候我们需要调用block 的copy函数，将block拷贝到堆上。看下面的代码：
-(id) getBlockArray{
    int val =10;
    return [[NSArray alloc]initWithObjects:
        ^{NSLog(@"blk0:%d",val);},
        ^{NSLog(@"blk1:%d",val);},nil];
}

id obj = getBlockArray();
typedef void (^blk_t)(void);
blk_t blk = (blk_t){obj objectAtIndex:0};
blk();
这段代码在最后一行blk()会异常，因为数组中的block是栈上的。因为val是栈上的。解决办法就是调用copy方法。
【要点4】不管block配置在何处，用copy方法复制都不会引起任何问题。在ARC环境下，如果不确定是否要copy block尽管copy即可。ARC会打扫战场。
注意：在栈上调用copy那么复制到堆上，在全局block调用copy什么也不做，在堆上调用block 引用计数增加
【注意】本人用Xcode 5.1.1 iOS sdk 7.1 编译发现：并非《Objective-C》高级编程这本书中描述的那样
int val肯定是在栈上的，我保存了val的地址，看看block调用前后是否变化。输出一致说明是栈上，不一致说明是堆上。
typedef int (^blkt1)(void) ;
-(void) stackOrHeap{
    __block int val =10;
    int *valPtr = &val;//使用int的指针，来检测block到底在栈上，还是堆上
    blkt1 s= ^{
        NSLog(@"val_block = %d",++val);
        return val;};
    s();
    NSLog(@"valPointer = %d",*valPtr);
}
在ARC下——block捕获了自动变量，那么block就被会直接生成到堆上了。 val_block = 11 valPointer = 10
在非ARC下——block捕获了自动变量，该block还是在栈上的。 val_block = 11 valPointer = 11

调用copy之后的结果呢：

-(void) stackOrHeap{
    __block int val =10;
    int *valPtr = &val;//使用int的指针，来检测block到底在栈上，还是堆上
    blkt1 s= ^{
        NSLog(@"val_block = %d",++val);
        return val;};
    blkt1 h = [s copy];
    h();
    NSLog(@"valPointer = %d",*valPtr);
}

----------------在ARC下>>>>>>>>>>>无效果。 val_block = 11 valPointer = 10

----------------在非ARC下>>>>>>>>>确实复制到堆上了。 val_block = 11 valPointer = 10
用这个表格来表示
/*当block捕获了自动变量时候
------------------------------------------------------------------
|     where  block stay  |       ARC     |       非ARC   |
-------------------------------------------------------------------
|                 copy          |       heap     |     heap         |
------------------------------------------------------------------
|             no copy         |      heap     |      stack        |
------------------------------------------------------------------
*/

__block变量存储区域

当block被复制到堆上时，他所捕获的对象、变量也全部复制到堆上。
回忆一下block捕获自动变量的时候，自动变量将编程一个结构体，结构体中有一个字段叫__forwarding，用于指向自动这个结构体。那么有了这个__forwarding指针，无论是栈上的block还是被拷贝到堆上，那么都会正确的访问自动变量的值。

截获对象

block会持有捕获的对象。编译器为了区分自动变量和对象，有一个类型来区分。
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0 *dst, struct __main_block_impl_0 *src){
    _Block_objct_assign(&dst->val,src->val,BLOCK_FIELD_IS_BYREF);
}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0 *src){
    _block_object_dispose(src->val,BLOCK_FIELD_IS_BYREF);
}
BLOCK_FIELD_IS_BYREF代表是变量。BLOCK_FIELD_IS_OBJECT代表是对象
【__block变量和对象】
    __block修饰符可用于任何类型的自动变量
【__block循环引用】
根据上面讲的内容，block在持有对象的时候，对象如果持有block，会造成循环引用。解决办法有两种：
1. 使用__weak修饰符。id __weak obj = obj_
2. 使用__block修饰符。__block id tmp = self;然后在block中tmp = nil；这样就打破循环了。这个办法需要记得将tmp=nil。不推荐！


文章开头block测试题答案：ABABB
int val = 10;
void (^blk)(void) = ^{printf("val=%d\n",val);};
val = 2;
blk();

上面这段代码，输出值是：val = 10.而不是2.block截获自动变量的瞬时值。因为block保存了自动变量的值，所以在执行block语法后，即使改写block中使用的自动变量的值也不会影响block执行时自动变量的值。

尝试改写block中捕获的自动变量，将会是编译错误。我更喜欢把这个理解为：block捕获的自动变量都将转化为const类型。不可修改了
解决办法是将自动变量添加修饰符 __block；那么如果截获的自动变量是OC对象呢
^{[array addObject:obj];};
这么写是没有问题的，因为array是一个指针，我们并没有改变指针的值。这个也可以解释下面的问题
const char text[] = "hello";
^{    printf("%c\n",text[2]);};
这样会编译错误。为何？这是因为捕获自动变量的方法并没有实现C语言数组类型。可以通过指针代替：const char *text= "hello";


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