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Objective C block背后的黑魔法
前言
block在Objective C开发中应用非常广泛,我们知道block会捕获外部对象,也知道使用block要防止循环引用。
“知其然而不知其所以然”是一件很痛苦的事情,那么block这套机制在OC中是如何实现的呢?本文通过从C/C++到汇编层面分析block的实现原理。
Clang
clang是XCode的编译器前端,编译器前端负责语法分析,语义分析,生成中间代码(intermediate representation )。
比如当你在XCode中进行build一个.m文件的时候,实际的编译命令如下
clang -x objective-c -arch x86_64
-fmessage-length=0
-fobjc-arc...
-Wno-missing-field-initializers ...
-DDEBUG=1 ...
-isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk
-fasm-blocks ...
-I headers.hmap
-F 所需要的Framework
-iquote 所需要的Framework ...
-c ViewController.m
-o ViewController.o
Objective C也可以用GCC来编译,不过那超出了本文的范畴,不做讲解。
Clang除了能够进行编译之外,还有其他一些用法。比如本文分析代码的核心命令就是这个:
clang -rewrite-objc 文件.m
通过这个命令,我们可以把Objective C的代码用C++来表示。
对于想深入理解Clang命令的同学,可以用命令忙自带的工具来查看帮助文档
man clang
或者阅读官方文档:文档地址。
查看汇编代码
在XCode中,对于一个源文件,我们可以通过如下方式查看其汇编代码。这对我们分析代码深层次的实现原理非常有用,这个在后面也会遇到。
Objective C对象内存模型
为了本文讲解的更清楚,我们首先来看看一个Objective C对象的内存模型。我们首先新建一个类,内容如下
DemoClass.h
@interface DemoClass : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString * value;
@end
DemoClass.m
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
DemoClass * obj = [[DemoClass alloc] init];
}
@end
然后,我们用上文提到的Clang命令将DemoClass.m转成C++的表示。
clang -rewrite-objc DemoClass.m
转换完毕后当前目录会多一个DemoClass.cpp文件,这个文件很大,接近十万行。
我们先搜索这个方法名称demoFunction
,以方法作为切入
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
DemoClass * obj = ((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
可以看到,转换成C++后,一个实例方法转换为一个静态方法,这个方法的内容看起来很乱,因为有各种的类型强制转换,去掉后就比较清楚了。
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
可以看到:
- 转换后增加了两个参数:
self
和_cmd
- 方法的调用转换成了
objc_msgSend
,这是一个C函数,两个参数分别是Class
和SEL
关于objc_msgSend
内发生的事情,参见我之前的一篇博客:
- iOS Runtime详解(消息机制,类元对象,缓存机制,消息转发)
到这里,我们知道了一个OC的实例方法具体是怎么实现的了。
那么,一个OC对象在内存中是如何存储的呢?我们在刚刚的方法的上下可以找到这个类的完整实现,
//类对应的结构体
struct DemoClass_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_value;
};
//demoFunction方法
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
//属性value的getter方法
static NSString * _I_DemoClass_value(DemoClass * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_DemoClass$_value)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
//属性value的setter方法
static void _I_DemoClass_setValue_(DemoClass * self, SEL _cmd, NSString *value) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct DemoClass, _value), (id)value, 0, 1); }
我们侧重来看看类对应的结构体
struct DemoClass_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_value;
};
//我们依次查找不清楚的定义
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class isa ;
};
可以看到,OC类实际是按照以下方式来存储对象的
- isa指针。指向objc_class类型的结构体,这个结构体中存储了方法的列表等类相关的信息,因为objc_msgSend中,发给对象的实际是一个字符串,运行时就是通过isa找到类对象,然后通过字符串找到方法的实际执行的。
- ivar。属性背后的存储对象,到这里也能看出来一个普通的属性就是
ivar+getter+setter
.
也就是说,只要有isa指针,指向一个类对象,那么这个结构就能处理OC的消息机制,也就能当成OC的对象来用。
Block的本质
我们修改DemoClass.m中的内容如下
typedef void(^VoidBlock)(void);
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
NSInteger variable = 10;
VoidBlock temp = ^{
NSLog(@"%ld",variable);
};
temp();
}
@end
然后,重新用clang转换为C++代码,有关这段代码的内容如下:
struct __block_impl {
void *isa;
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr;
};
struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
NSInteger variable;
__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp, struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc, NSInteger _variable, int flags=0) : variable(_variable) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_Test_c7592d_mi_0,variable);
}
static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = http://www.mamicode.com/{ 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
NSInteger variable = 10;
VoidBlock temp = ((void (*)())&__DemoClass__demoFunction_block_impl_0((void *)__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)temp)->FuncPtr)((__block_impl *) temp);
}
我们还是以方法作为切入点,看俺具体是怎么实现的。_I_DemoClass_demoFunction
是DemoFunction
转换后的方法。我们去掉一些强制转化代码,这样看起来更清楚
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
NSInteger variable = 10;
VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
(temp->FuncPtr)(temp);
}
从上至下,三行的左右依次是
- 初始化一个variable(也就是block捕获的变量)
- 调用结构体
__DemoClass__demoFunction_block_impl_0
的构造函数来新建一个结构体,并且把地址赋值给temp变量(也就是初始化一个block) - 通过调用temp变量内的函数指针(C的函数指针)来执行实际的函数。
通过这些分析,我们知道了Block的大致实现
block背后的内存模型实际上是一个结构体,这个结构体会存储一个函数指针来指向block的实际执行代码。
接着,我们来深入的研究下block背后的结构体,也就是这个结构体__DemoClass__demoFunction_block_impl_0
:
struct __block_impl {
void *isa; //和上文提到的OC对象isa一样,指向的类对象,用来找到方法的实现
int Flags; //标识位
int Reserved; //保留
void *FuncPtr; //Block对应的函数指针
};
struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
//结构体的通用存储结构
struct __block_impl impl;
//本结构体的描述信息
struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
//捕获的外部变量
NSInteger variable;
//构造函数(也就是初始化函数,用来在创建结构体实例的时候,进行必要的初始化工作)
struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
NSInteger variable;
__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp,
struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc,
NSInteger _variable,
int flags=0) : variable(_variable) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
我们在回头看看block初始化那句代码
//OC
VoidBlock temp = ^{
NSLog(@"%ld",variable);
};
//C++
VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0,
&__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA,
variable));
在对应之前代码块的构造函数,我们可以清楚的看到,在初始化的时候三个参数依次是
- 函数指针
__DemoClass__demoFunction_block_func_0
- block的描述结构体(全局静态结构体)
__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA
- 捕获的变量
variable
接着,我们来看看block背后的C函数__DemoClass__demoFunction_block_func_0
static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0,variable);
}
Tips:
内存中存储区域可分为以下几个区域:
- TEXT 代码区
- DATA 数据区
- Stack 栈区
- HEAP 堆区
上文的字符串@”%ld”,对应C++代码是
)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0
,是存储在数据区的。这样即使程序中有多个@”%ld”,也不会创建多个实例。
可以看到,这个C函数的参数是__DemoClass__demoFunction_block_impl_0
,也就是一个block类型。然后在方法体内部,使用这个block类型的参数。
最后,我们分析下block的描述信息,也就是这段代码
static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
size_t reserved;
size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = http://www.mamicode.com/{ 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};
这段代码不难理解,就是声明一个描述信息的结构体,然后初始化这个结构体类型的全局静态变量。
分析到这里,上面代码的大多数内容我们都理解了,但是有一点我们还没有搞清楚,就是isa指向的内容_NSConcreteStackBlock
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
但是,到这里我们知道了为什么Block可以当作OC对象来用的原因:就是这个指向类对象的isa指针。
Block的类型
上文提到了_NSConcreteStackBlock
是Block一种,block一共有三种类型
- NSConcreteStackBlock 栈上分配,作用域结束后自动释放
- NSConcreteGlobalBlock 全局分配,类似全局变量,存储在数据段,内存中只有一份
- NSConcreteHeapBlock 堆上分配
我们仍然尝试用Clang转换的方式,来验证我们的理论。将DemoClass.m内容修修改为
#import "DemoClass.h"
typedef void(^VoidBlock)(void);
@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;
@end
VoidBlock globalBlock = ^{};
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
VoidBlock stackBlock = ^{};
stackBlock();
_heapBlock = ^{};
}
@end
然后,转成C++后,分别对应如下
全局globalBlock
impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;
栈上stackBlock
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
属性Block
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
What the fuck! 怎么属性的block是栈类型的,难道不该是堆类型的吗?
到这里,C/C++层面的代码已经无法满足我们的需求了。我们试着把代码转成汇编,一探究竟:
方便分析属性block究竟是怎么实现的,我们修改.m文件
#import "DemoClass.h"
typedef void(^VoidBlock)(void);
@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;
@end
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
_heapBlock = ^{};
}
@end
转换成汇编后,在方法demoFunction
部分,我们能看到类似汇编代码
bl _objc_retainBlock
adrp x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGE
add x8, x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGEOFF
.loc 1 0 0 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:0:0
ldr x1, [sp, #8]
.loc 1 21 5 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:5
ldrsw x8, [x8]
add x8, x1, x8
.loc 1 21 16 is_stmt 0 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
ldr x1, [x8]
str x0, [x8]
.loc 1 21 16 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
mov x0, x1
bl _objc_release
也就是说,在方法返回之前,依次调用了
_objc_retainBlock
_objc_release
那么,_objc_retainBlock
就是block从栈到堆的黑魔法。
我们通过Runtime的源码来分析这个方法的实现:
id objc_retainBlock(id x) {
return (id)_Block_copy(x);
}
// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);
到这里我们就清楚了,编译器为我们自动插入了_objc_retainBlock
,而这个函数会把栈上的block拷贝到堆上。
Tips: 通常在写属性的时候,block都会声明为copy。这是显式的表示,即使block是栈上的,也会拷贝到堆上。其实在赋值的时候,编译器已经自动帮我们做了这些,所以其实使用strong也可以。
那么,一个临时变量的block会被拷贝到堆上么?
修改demoFunction
:
- (void)demoFunction{
VoidBlock stackBlock = ^{};
}
继续查看汇编:
Ltmp7:
.loc 1 23 15 prologue_end ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:23:15
mov x0, x8
bl _objc_retainBlock
mov x8, #0
add x1, sp, #8 ; =8
str x0, [sp, #8]
.loc 1 24 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:24:1
mov x0, x1
mov x1, x8
bl _objc_storeStrong
ldp x29, x30, [sp, #32] ; 8-byte Folded Reload
add sp, sp, #48 ; =48
ret
我们仍然看到了_objc_retainBlock
,也就是说即使是一个在函数中的block,在ARC开启的情况下,仍然会拷贝到堆上。
__block
通过之前的讲解,我们知道了block如何捕获外部变量,也知道了block的几种类型。那么block如何修改外部变量呢?
block是不可以直接修改外部变量的,比如
NSInteger variable = 0;
_heapBlock = ^{
variable = 1;
};
直接这么写,编译器是不会通过的,想想也很简单,因为变量可能在block执行之前就被释放掉了,直接这么赋值会导致野指针。
在OC层面,我们可以通过增加__block
关键字,那么加了这个关键字后,实际的C++层面代码是什么样的呢?
- (void)demoFunction{
__block NSInteger variable = 0;
VoidBlock stackBlock = ^{
variable = 1;
};
}
在转换成C++代码后,如下:
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
__Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};
VoidBlock stackBlock = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(( __DemoClass__demoFunction_block_func_0,
&__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA,
(__Block_byref_variable_0 *)&variable,
570425344);
}
可以看到,__block NSInteger variable = 0
转换成了一个结构体
__Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};
这个结构体定义如下:
struct __Block_byref_variable_0 {
void *__isa;
__Block_byref_variable_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
NSInteger variable; //这个是要修改的变量
};
通过初始化我们可以看到
__isa
指向0__forwarding
指向__Block_byref_variable_0
自身__flags
为0__size
就是结构题的大小variable
是我们定义的原始值0
到这里,我们有一点疑惑
- 为什么要存在一个
__forwarding
来指向自身呢?
我们来看看block的方法体,也就是这部分
^{
variable = 1;
}
转换成C++后:
static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
__Block_byref_variable_0 *variable = __cself->variable; // bound by ref
variable->__forwarding->variable) = 1;
}
也就是说
__forwarding
存在的意义就是通过它来访问到变量的地址,如果这个指针一直指向自身,那么它也就没有存在的意义,也就是在将来的某一个时间点,它一定会指向另外一个数据结构。
我们在上文中讲到,ARC开启的时候,栈上的block会被复制到堆上。
在没有复制之前:
复制之后
这样,我们就清楚原因了:
即使发生了复制,只要修改
__forwarding
的指向,我们就能够保证栈上和堆上的block都访问同一个对象。
Block对对象的捕获
到这里,我们分析的block都是捕获一个外部值,并不是对象。值和对象最大的区别就是对象有生命周期,对象我们需要考虑引用计数。
修改DemoFunction
- (void)demoFunction{
NSObject * obj = [[NSObject alloc] init];
VoidBlock stackBlock = ^{
[obj description];
};
stackBlock();
}
再转换成C++后,我们对比之前捕获NSInteger
,发现多了两个生命周期管理函数
static void __DemoClass__demoFunction_block_copy_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*dst, struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
_Block_object_assign((void*)&dst->obj, (void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}
static void __DemoClass__demoFunction_block_dispose_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
_Block_object_dispose((void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}
我们再查看下Block_object_assign
和Block_object_dispose
的定义
// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int);
// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int);
也就是说,编译器通过这两个函数来管理Block捕获对象的生命周期。其中
_Block_object_assign
相当于ARC中的reatain,在block从栈上拷贝到堆上的时候调用_Block_object_dispose
相当于ARC中的release,在block堆上废弃的时候调用
总结
- block在C语言层面就是结构体,结构体存储了函数指针和捕获的变量列表
- block分为全局,栈上,堆上三种,ARC开启的时候,会自动把栈上的block拷贝到堆上
__block
变量在C语言层面也是一个结构体- block捕获对象的时候会增加对象的引用计数。
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Objective C block背后的黑魔法