• 最近在看Block原理的時(shí)候看了一篇文章iOS Block用法和實(shí)現(xiàn)原理，并且對(duì)照了《Objective-C高級(jí)編程》這本書中對(duì)于Block的解析，發(fā)現(xiàn)文章把書本中的重點(diǎn)部分都記載出來。所以在這里轉(zhuǎn)載過來，對(duì)應(yīng)著書本的詳解和這篇文章能更清晰的理解Block的實(shí)現(xiàn)原理；

一、何為Block？

• Block：帶有自動(dòng)變量值的匿名函數(shù)。（匿名函數(shù)：沒有函數(shù)名的函數(shù)，一對(duì){}包裹的內(nèi)容是匿名函數(shù)的作用域。
  自動(dòng)變量：棧上聲明的一個(gè)變量不是靜態(tài)變量和全局變量，是不可以在這個(gè)棧內(nèi)聲明的匿名函數(shù)中使用的，但在Block中卻可以。）

• 雖然使用Block不用聲明類，但是Block提供了類似Objective-C的類一樣可以通過成員變量來保存作用域外變量值的方法，那些在Block的一對(duì){}里使用到但卻是在{}作用域以外聲明的變量，就是Block截獲的自動(dòng)變量。

二、Block語(yǔ)法

1. Block表達(dá)式語(yǔ)法：

• ^ 返回值類型 (參數(shù)列表) {表達(dá)式}

^ int (int count) {
      return count + 1;
  };

其中返回值類型 參數(shù)都可省略

   ^ {
       NSLog(@"No Parameter");
   };

2. Block類型變量

• 聲明Block類型變量語(yǔ)法：

返回值類型 (^變量名)(參數(shù)列表) = Block表達(dá)式

例如，如下聲明了一個(gè)變量名為blk的Block：

    int (^blk)(int) = ^(int count) {
        return count + 1;
    };

• 當(dāng)Block類型變量作為函數(shù)的參數(shù)時(shí)，寫作：

- (void)func:(int (^)(int))blk {
    NSLog(@"Param:%@", blk);
}

借助typedef可簡(jiǎn)寫：

typedef int (^blk_k)(int);

- (void)func:(blk_k)blk {
    NSLog(@"Param:%@", blk);
}

三、截獲自動(dòng)變量值

Block表達(dá)式可截獲所使用的自動(dòng)變量的值。
截獲：保存自動(dòng)變量的瞬間值。
因?yàn)槭恰八查g值”，所以聲明Block之后，即便在Block外修改自動(dòng)變量的值，也不會(huì)對(duì)Block內(nèi)截獲的自動(dòng)變量值產(chǎn)生影響。

  int i = 10;
    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"In block, i = %d", i);
    };
    i = 20;//Block外修改變量i，也不影響B(tài)lock內(nèi)的自動(dòng)變量
    blk();//i修改為20后才執(zhí)行，打印: In block, i = 10
    NSLog(@"i = %d", i);//打?。篿 = 20

四、__block說明符號(hào)

自動(dòng)變量值為一個(gè)變量情況

• 自動(dòng)變量截獲的值為Block聲明時(shí)刻的瞬間值，保存后就不能改寫該值，如需對(duì)自動(dòng)變量進(jìn)行重新賦值，需要在變量聲明前附加__block說明符，這時(shí)該變量稱為__block變量。例如：

  __block int i = 10;//i為__block變量，可在block中重新賦值
    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"In block, i = %d", i);
    };
    i = 20;
    blk();//打印: In block, i = 20
    NSLog(@"i = %d", i);//打?。篿 = 20

自動(dòng)變量值為一個(gè)對(duì)象情況

• 當(dāng)自動(dòng)變量為一個(gè)類的對(duì)象，且沒有使用__block修飾時(shí)，雖然不可以在Block內(nèi)對(duì)該變量進(jìn)行重新賦值，但可以修改該對(duì)象的屬性。
  如果該對(duì)象是個(gè)Mutable的對(duì)象，例如NSMutableArray，則還可以在Block內(nèi)對(duì)NSMutableArray進(jìn)行元素的增刪：

    NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] initWithObjects:@"1", @"2",nil ];
    NSLog(@"Array Count:%ld", array.count);//打印Array Count:2
    void (^blk)(void) = ^{
        [array removeObjectAtIndex:0];//Ok
        //array = [NSNSMutableArray new];//沒有__block修飾，編譯失??！
    };
    blk();
    NSLog(@"Array Count:%ld", array.count);//打印Array Count:1

Block實(shí)現(xiàn)原理

• 使用Clang
  Block實(shí)際上是作為極普通的C語(yǔ)言源碼來處理的：含有Block語(yǔ)法的源碼首先被轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言編譯器能處理的源碼，再作為普通的C源代碼進(jìn)行編譯。
  使用LLVM編譯器的clang命令可將含有Block的Objective-C代碼轉(zhuǎn)換成C++的源代碼，以探查其具體實(shí)現(xiàn)方式：

clang -rewrite-objc 源碼文件名

注：如果使用該命令報(bào)錯(cuò)：’UIKit/UIKit.h’ file not found，可參考《Objective-C編譯成C++代碼報(bào)錯(cuò)》解決。

• Block結(jié)構(gòu)
  使用Block的時(shí)候，編譯器對(duì)Block語(yǔ)法進(jìn)行了怎樣的轉(zhuǎn)換？

    int main() {
        int count = 10;
        void (^ blk)() = ^(){
            NSLog(@"In Block:%d", count);
        };
        blk();
    }

如上所示的最簡(jiǎn)單的Block使用代碼，經(jīng)clang轉(zhuǎn)換后，可得到以下幾個(gè)部分（有代碼刪減和注釋添加）：

static void __main_block_func_0(
    struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int count = __cself->count; // bound by copy
    
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_d2f8d2_mi_0, 
    count);

這是一個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)Block中{}內(nèi)的內(nèi)容，這些內(nèi)容被當(dāng)做了C語(yǔ)言函數(shù)來處理，函數(shù)參數(shù)中的__cself相當(dāng)于Objective-C中的self。

    struct __main_block_impl_0 {
      struct __block_impl impl;
      struct __main_block_desc_0* Desc; //描述Block大小、版本等信息
      int count;
      //構(gòu)造函數(shù)函數(shù)
      __main_block_impl_0(void *fp,
              struct __main_block_desc_0 *desc,
              int _count,
              int flags=0) : count(_count) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; //在函數(shù)棧上聲明，則為_NSConcreteStackBlock
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
      }
    };  

__main_block_impl_0即為main()函數(shù)棧上的Block結(jié)構(gòu)體，其中的__block_impl結(jié)構(gòu)體聲明如下：

    struct __block_impl {
      void *isa;//指明對(duì)象的Class
      int Flags;
      int Reserved;
      void *FuncPtr;
    };

去除掉復(fù)雜的類型轉(zhuǎn)化，可簡(jiǎn)寫為：

    int main() {
        int count = 10;
        sturct __main_block_impl_0 *blk = &__main_block_impl_0(__main_block_func_0,         //函數(shù)指針
                                                               &__main_block_desc_0_DATA)); //Block大小、版本等信息
    
        (*blk->FuncPtr)(blk);   //調(diào)用FuncPtr指向的函數(shù)，并將blk自己作為參數(shù)傳入
    }

由此，可以看出，Block也是Objective-C中的對(duì)象。
Block有三種類（即__block_impl的isa指針指向的值，isa說明參考《Objective-C isa 指針 與 runtime 機(jī)制》），根據(jù)Block對(duì)象創(chuàng)建時(shí)所處數(shù)據(jù)區(qū)不同而進(jìn)行區(qū)別：

• _NSConcreteStackBlock：在棧上創(chuàng)建的Block對(duì)象
• _NSConcreteMallocBlock：在堆上創(chuàng)建的Block對(duì)象
• _NSConcreteGlobalBlock：全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的Block對(duì)象

一、如何截獲自動(dòng)變量

• 上部分介紹了Block的結(jié)構(gòu)，和作為匿名函數(shù)的調(diào)用機(jī)制，那自動(dòng)變量截獲是發(fā)生在什么時(shí)候呢？
  觀察上節(jié)代碼中__main_block_impl_0結(jié)構(gòu)體（main棧上Block的結(jié)構(gòu)體）的構(gòu)造函數(shù)可以看到，棧上的變量count以參數(shù)的形式傳入到了這個(gè)構(gòu)造函數(shù)中，此處即為變量的自動(dòng)截獲。
  因此可以這樣理解：__block_impl結(jié)構(gòu)體已經(jīng)可以代表Block類了，但在棧上又聲明了__main_block_impl_0結(jié)構(gòu)體，對(duì)__block_impl進(jìn)行封裝后才來表示棧上的Block類，就是為了獲取Block中使用到的棧上聲明的變量（棧上沒在Block中使用的變量不會(huì)被捕獲），變量被保存在Block的結(jié)構(gòu)體實(shí)例中。
  所以在blk()執(zhí)行之前，棧上簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型的count無(wú)論發(fā)生什么變化，都不會(huì)影響到Block以參數(shù)形式傳入而捕獲的值。但這個(gè)變量是指向?qū)ο蟮闹羔槙r(shí)，是可以修改這個(gè)對(duì)象的屬性的，只是不能為變量重新賦值。

二、Block的存儲(chǔ)域

• 上文已提到，根據(jù)Block創(chuàng)建的位置不同，Block有三種類型，創(chuàng)建的Block對(duì)象分別會(huì)存儲(chǔ)到棧、堆、全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域。

    void (^blk)(void) = ^{
        NSLog(@"Global Block");
    };
    int main() {
        blk();
        NSLog(@"%@",[blk class]);//打印：__NSGlobalBlock__
    }

• 像上面代碼塊中的全局blk自然是存儲(chǔ)在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，但注意在函數(shù)棧上創(chuàng)建的blk，如果沒有截獲自動(dòng)變量，Block的結(jié)構(gòu)實(shí)例還是會(huì)被設(shè)置在程序的全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，而非棧上：

    int main() {
        void (^blk)(void) = ^{//沒有截獲自動(dòng)變量的Block
            NSLog(@"Stack Block");
        };
        blk();
        NSLog(@"%@",[blk class]);//打印:__NSGlobalBlock__
        
        int i = 1;
        void (^captureBlk)(void) = ^{//截獲自動(dòng)變量i的Block
            NSLog(@"Capture:%d", i);
        };
        captureBlk();
        NSLog(@"%@",[captureBlk class]);//打?。篲_NSMallocBlock__
    }

可以看到截獲了自動(dòng)變量的Block打印的類是NSGlobalBlock，表示存儲(chǔ)在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。
但為什么捕獲自動(dòng)變量的Block打印的類卻是設(shè)置在堆上的NSMallocBlock，而非棧上的NSStackBlock?這個(gè)問題稍后解釋。

三、Block復(fù)制

• 配置在棧上的Block，如果其所屬的棧作用域結(jié)束，該Block就會(huì)被廢棄，對(duì)于超出Block作用域仍需使用Block的情況，Block提供了將Block從棧上復(fù)制到堆上的方法來解決這種問題，即便Block棧作用域已結(jié)束，但被拷貝到堆上的Block還可以繼續(xù)存在。
  復(fù)制到堆上的Block，將_NSConcreteMallocBlock類對(duì)象寫入Block結(jié)構(gòu)體實(shí)例的成員變量isa：

impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;

在ARC有效時(shí)，大多數(shù)情況下編譯器會(huì)進(jìn)行判斷，自動(dòng)生成將Block從棧上復(fù)制到堆上的代碼，以下幾種情況棧上的Block會(huì)自動(dòng)復(fù)制到堆上：

調(diào)用Block的copy方法
將Block作為函數(shù)返回值時(shí)
將Block賦值給__strong修改的變量時(shí)
向Cocoa框架含有usingBlock的方法或者GCD的API傳遞Block參數(shù)時(shí)

• 其它時(shí)候向方法的參數(shù)中傳遞Block時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)用copy方法復(fù)制Block。
  上一節(jié)的棧上截獲了自動(dòng)變量i的Block之所以在棧上創(chuàng)建，卻是NSMallocBlock類，就是因?yàn)檫@個(gè)Block對(duì)象賦值給了_strong修飾的變量captureBlk（_strong是ARC下對(duì)象的默認(rèn)修飾符）。
  因?yàn)樯厦嫠臈l規(guī)則，在ARC下其實(shí)很少見到_NSConcreteStackBlock類的Block，大多數(shù)情況編譯器都保證了Block是在堆上創(chuàng)建的，如下代碼所示，僅最后一行代碼直接使用一個(gè)不賦值給變量的Block，它的類才是NSStackBlock：

    int count = 0;
    blk_t blk = ^(){
        NSLog(@"In Stack:%d", count);
    };
    
    NSLog(@"blk's Class:%@", [blk class]);//打?。篵lk's Class:__NSMallocBlock__
    NSLog(@"Global Block:%@", [^{NSLog(@"Global Block");} class]);//打印：Global Block:__NSGlobalBlock__
    NSLog(@"Copy Block:%@", [[^{NSLog(@"Copy Block:%d",count);} copy] class]);//打印：Copy Block:__NSMallocBlock__
    NSLog(@"Stack Block:%@", [^{NSLog(@"Stack Block:%d",count);} class]);//打?。篠tack Block:__NSStackBlock__

關(guān)于ARC下和MRC下Block自動(dòng)copy的區(qū)別，查看《Block 小測(cè)驗(yàn)》里幾道題目就能區(qū)分了。
另外，原書存在ARC和MRC混合講解、區(qū)分不明的情況，比如書中幾個(gè)使用到棧上對(duì)象導(dǎo)致Crash的例子是MRC條件下才會(huì)發(fā)生的，但書中沒做特殊說明。

四、使用__block發(fā)生了什么

• Block捕獲的自動(dòng)變量添加__block說明符，就可在Block內(nèi)讀和寫該變量，也可以在原來的棧上讀寫該變量。
  自動(dòng)變量的截獲保證了棧上的自動(dòng)變量被銷毀后，Block內(nèi)仍可使用該變量。
  __block保證了棧上和Block內(nèi)（通常在堆上）可以訪問和修改“同一個(gè)變量”，__block是如何實(shí)現(xiàn)這一功能的？

• __block發(fā)揮作用的原理：將棧上用__block修飾的自動(dòng)變量封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，讓其在堆上創(chuàng)建，以方便從棧上或堆上訪問和修改同一份數(shù)據(jù)。

• 驗(yàn)證過程：
  現(xiàn)在對(duì)剛才的代碼段，加上__block說明符，并在block內(nèi)外讀寫變量count。

int main() {
    __block int count = 10;
    void (^ blk)() = ^(){
        count = 20;
        NSLog(@"In Block:%d", count);//打?。篒n Block:20
    };
    count ++;
    NSLog(@"Out Block:%d", count);//打?。篛ut Block:11
    blk();

將上面的代碼段clang，發(fā)現(xiàn)Block的結(jié)構(gòu)體__main_block_impl_0結(jié)構(gòu)如下所示：

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_count_0 *count; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_count_0 *_count, int flags=0) : count(_count->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }

最大的變化就是count變量不再是int類型了，count變成了一個(gè)指向__Block_byref_count_0結(jié)構(gòu)體的指針，__Block_byref_count_0結(jié)構(gòu)如下：

struct __Block_byref_count_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_count_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int count;
};

它保存了int count變量，還有一個(gè)指向__Block_byref_count_0實(shí)例的指針__forwarding，通過下面兩段代碼__forwarding指針的用法可以知道，該指針其實(shí)指向的是對(duì)象自身：
//Block的執(zhí)行函數(shù)

static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_count_0 *count = __cself->count; // bound by ref
 
        (count->__forwarding->count) = 20;//對(duì)應(yīng)count = 20;
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_fafeeb_mi_0, 
        (count->__forwarding->count));
    }

//main函數(shù)
int main() {
    __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_count_0 count = {(void*)0,
    (__Block_byref_count_0 *)&count, 
    0, 
    sizeof(__Block_byref_count_0), 
    10};
    
    void (* blk)() = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, 
    &__main_block_desc_0_DATA, 
    (__Block_byref_count_0 *)&count, 
    570425344));
    
    (count.__forwarding->count) ++;//對(duì)應(yīng)count ++;
    
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_64_vf2p_jz52yz7x4xtcx55yv0r0000gn_T_main_fafeeb_mi_1, 
    (count.__forwarding->count));
    
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk);
}

為什么要通過__forwarding指針完成對(duì)count變量的讀寫修改？
為了保證無(wú)論是在棧上還是在堆上，都能通過都__forwarding指針找到在堆上創(chuàng)建的count這個(gè)__main_block_func_0結(jié)構(gòu)體，以完成對(duì)count->count（第一個(gè)count是__main_block_func_0對(duì)象，第二個(gè)count是int類型變量）的訪問和修改。

五、Block的循環(huán)引用

• Block的循環(huán)引用原理和解決方法大家都比較熟悉，此處將結(jié)合上文的介紹，介紹一種不常用的解決Block循環(huán)引用的方法和一種借助Block參數(shù)解決該問題的方法。
  Block循環(huán)引用原因：一個(gè)對(duì)象A有Block類型的屬性，從而持有這個(gè)Block，如果Block的代碼塊中使用到這個(gè)對(duì)象A，或者僅僅是用用到A對(duì)象的屬性，會(huì)使Block也持有A對(duì)象，導(dǎo)致兩者互相持有，不能在作用域結(jié)束后正常釋放。
  解決原理：對(duì)象A照常持有Block，但Block不能強(qiáng)引用持有對(duì)象A以打破循環(huán)。
  解決方法：
  方法一： 對(duì)Block內(nèi)要使用的對(duì)象A使用__weak進(jìn)行修飾，Block對(duì)對(duì)象A弱引用打破循環(huán)。

有三種常用形式：

1. 使用__weak ClassName

    __block XXViewController* weakSelf = self;
    self.blk = ^{
        NSLog(@"In Block : %@",weakSelf);
    };

2.使用__weak typeof(self)

    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    self.blk = ^{
        NSLog(@"In Block : %@",weakSelf);
    };

3.Reactive Cocoa中的@weakify和@strongify

    @weakify(self);
    self.blk = ^{
        @strongify(self);
        NSLog(@"In Block : %@",self);
    };

其原理參考《@weakify, @strongify》，自己簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)參考《@weak - @strong 宏的實(shí)現(xiàn)》

方法二：對(duì)Block內(nèi)要使用的對(duì)象A使用__block進(jìn)行修飾，并在代碼塊內(nèi)，使用完__block變量后將其設(shè)為nil，并且該block必須至少執(zhí)行一次。

   __block XXController *blkSelf = self;
        self.blk = ^{
            NSLog(@"In Block : %@",blkSelf);
            blkSelf = nil;//不能省略
        };
   self.blk();//該block必須執(zhí)行一次，否則還是內(nèi)存泄露

在block代碼塊內(nèi)，使用完使用完__block變量后將其設(shè)為nil，并且該block必須至少執(zhí)行一次后，不存在內(nèi)存泄露，因?yàn)榇藭r(shí)：

XXController對(duì)象持有Block對(duì)象blk
blk對(duì)象持有__block變量blkSelf(類型為編譯器創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)體)
__block變量blkSelf在執(zhí)行blk()之后被設(shè)置為nil（__block變量結(jié)構(gòu)體的__forwarding指針指向了nil），不再持有XXController對(duì)象，打破循環(huán)

第二種使用__block打破循環(huán)的方法，優(yōu)點(diǎn)是：

可通過__block變量動(dòng)態(tài)控制持有XXController對(duì)象的時(shí)間，運(yùn)行時(shí)決定是否將nil或其他變量賦值給__block變量
不能使用__weak的系統(tǒng)中，使用__unsafe_unretained來替代__weak打破循環(huán)可能有野指針問題，使用__block則可避免該問題

其缺點(diǎn)也明顯：

必須手動(dòng)保證__block變量最后設(shè)置為nil
block必須執(zhí)行一次，否則__block不為nil循環(huán)應(yīng)用仍存在

因此，還是避免使用第二種不常用方式，直接使用__weak打破Block循環(huán)引用。
方法三：將在Block內(nèi)要使用到的對(duì)象（一般為self對(duì)象），以Block參數(shù)的形式傳入，Block就不會(huì)捕獲該對(duì)象，而將其作為參數(shù)使用，其生命周期系統(tǒng)的棧自動(dòng)管理，不造成內(nèi)存泄露。
即原來使用__weak的寫法：

  __weak typeof(self) weakSelf = self;
  self.blk = ^{
      __strong typeof(self) strongSelf = weakSelf;
      NSLog(@"Use Property:%@", strongSelf.name);
      //……
  };
  self.blk();

改為Block傳參寫法后：

    self.blk = ^(UIViewController *vc) {
        NSLog(@"Use Property:%@", vc.name);
    };
    self.blk(self);

優(yōu)點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)化了兩行代碼，更優(yōu)雅
• 更明確的API設(shè)計(jì)：告訴API使用者，該方法的Block直接使用傳進(jìn)來的參數(shù)對(duì)象，不會(huì)造成循環(huán)引用，不用調(diào)用者再使用weak避免循環(huán)

該種用法的詳細(xì)思路，和clang后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可參考《Heap-Stack Dance》。