来源:http://blog.devtang.com/blog/2013/07/28/a-look-inside-blocks/
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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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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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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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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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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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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用之前提到的clang工具,转换后的关键代码如下:
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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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生成的关键代码如下,可以看到,差异相当大:
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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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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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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。
参考链接
希望本文能加深你对于block的理解。我在学习中,查阅了以下文章,一并分享给大家。祝大家玩得开心~
微信公众号: 猿人谷
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