深入理解Objective-C中的Block

block是将函数及其执行上下文封装起来的对象。
Objective-C的函数式编程也是通过Block实现的,Block的作用与函数类似，其使用更加灵活，可以像变量一样进行传递。
Block的定义与函数非常类似，一个完整的block结构如下：
ReturnType (^name)(params)
其中ReturnType为返回值的类型，name为Block变量的名字，params为参数列表。
例如：

NSInteger num = 3;
NSInteger (^block)(NSInteger) = ^NSInteger(NSInteger n) {
    return num * n;
};
block(2);

通过clang -rewrite-objc BlockTest.m命令编译该.m文件，发现该Block被编译成如下形式：

NSInteger num = 3;
NSInteger (*block)(NSInteger) = ((NSInteger (*)(NSInteger))&__BlockTest__test_block_impl_0((void *)__BlockTest__test_block_func_0, &__BlockTest__test_block_desc_0_DATA, num));
((NSInteger (*)(__block_impl *, NSInteger))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block, 2);

其中BlockTest是文件名，test是方法名，可以忽略。
__BlockTest__test_block_impl_0结构体为：

struct __BlockTest__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __BlockTest__test_block_desc_0* Desc;
  NSInteger num;
  __BlockTest__test_block_impl_0(void *fp, struct __BlockTest__test_block_desc_0 *desc, NSInteger _num, int flags=0) : num(_num) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

__block_impl结构体为：

struct __block_impl {
  void *isa; // isa指针，所以Block是对象
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr; // 函数指针
};

Block内部则为：

static NSInteger __BlockTest__test_block_func_0(struct __BlockTest__test_block_impl_0 *__cself, NSInteger n) {
  NSInteger num = __cself->num; // bound by copy

        return num * n;
    }

所以说Block是将函数及其执行上下文封装起来的对象，既然Block内部封装了函数，那么它同样也有参数和返回值。

一、Block类型

使用下面的代码可以将block对象所属的类以及继承链中的类打印出来：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    void (^b) (void) = ^() {
        NSLog(@"Block");
    };
    b();
    
    id c = [b class];
    while (c) {
        NSLog(@"%@", c);
        c = [c superclass];
    }
}

控制台输出如下：

2021-09-04 16:02:29.204551+0800 MyProject[4277:94703] Block
2021-09-04 16:02:29.204679+0800 MyProject[4277:94703] __NSGlobalBlock__
2021-09-04 16:02:29.204818+0800 MyProject[4277:94703] NSBlock
2021-09-04 16:02:29.204928+0800 MyProject[4277:94703] NSObject

可以发现，Block最终是继承自NSObject，与普通的Objective-C对象并无本质区别。

  • Block分为全局Block(_NSConcreateGlobalBlock)、栈Block(_NSConcreateStackBlock)、堆Block(_NSConcreteMallocBlock)三种类型。
    其中全局Block存储在已初始化数据（.data）区，栈Block存储在栈（stack）区，堆Block存储在堆（heap）区。

栈Block被存放在内存区域中的栈区。当一个作用域结束后，与之相关的栈中的数据都会被清理，因此对于栈Block，超出了其所在的作用域就被会回收。
堆Block与Objective-C对象一样，内存是否释放会受到引用计数的管理。当对一个栈Block进行copy操作时，就会创建出堆Block。
在不同场景创建的Block，其类型也会不同。

1.不使用外部变量的Block是全局Block

不管Block对象本身是局部的还是全局的，只要没有使用外部变量，即为全局Block，例如：

@implementation ViewController

int count = 10;
void (^b) (void);

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    static NSString *s = @"hello";
    b = ^() {
        NSLog(@"%d, %@", count, s);
    };
    b();
}

@end
2.使用外部变量并且未进行copy操作的Block是栈Block

例如：

NSInteger num = 5;
NSLog(@"%@", [^{
    NSLog(@"block test:%zd", num);
} class]);

输出__NSStackBlock__。
日常开发，常用于如下情况：

[self testWithBlock:^{
    NSLog(@"%@", self);
}];

- (void)testWithBlock:(dispatch_block_t)block {
    block();
    
    NSLog(@"%@", [block class]);
}

如果在Block内部有使用到局部变量，则此时创建的Block为栈Block。注意，在ARC环境下，编译器会自动对栈Block进行复制操作，使其变成堆Block，可以在MRC环境下测试。


ARC-Setting.png

将Xcode的编译选项修改为非ARC环境，编写如下测试代码：

@implementation ViewController

void (^b) (void);

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSString *s = @"hello";
    b = ^() {
        NSLog(@"%@", s);
    };
    b();
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];
    b();
}

@end
3.对栈Block进行copy操作，就是堆Block

示例如下：

NSInteger num = 5;
// 赋值即进行copy操作
void(^block)(void) = ^{
    NSLog(@"block test:%zd", num);
};
NSLog(@"%@", [block class]);

输出为__NSMallocBlock__。
在MRC环境下运行上面的代码会产生野指针异常，由于我们在创建Block对象时使用了局部变量string，因此该Block会被存储在栈内。当viewDidLoad方法结束时，其中的变量都会被回收，此栈Block也会销毁，虽然使用的全局指针，但是此时指针变成野指针，在viewWillAppear方法中再次调用该Block会产生异常。
要解决上面的野指针问题其实也非常容易，只需要对栈Block进行一次copy操作即可（ARC环境下，编译器会帮助我们做这个copy操作），此时Block就变成堆Block，例如：

@implementation ViewController

void (^b) (void);

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSString *s = @"hello";
    b = [^() {
        NSLog(@"%@", s);
    } copy];
    b();
}

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];
    b();
}

@end

对栈Block进行copy后，栈Block并不会消失，被copy的仍然是栈Block，示例如下：

[self testWithBlock:^{
    NSLog(@"%@", self);
}];

- (void)testWithBlock:(dispatch_block_t)block {
    block();
    dispatch_block_t tempBlock = block;
    NSLog(@"%@, %@", [block class], [tempBlock class]);
}

输出如下：

2021-10-21 16:06:39.463203+0800 Test[5562:75981] <ViewController: 0x7fd74880ba80>
2021-10-21 16:06:39.463333+0800 Test[5562:75981] __NSStackBlock__, __NSMallocBlock__

需要注意的是，如果对全局Block进行copy操作，得到的仍然是全局Block。
总结：
对栈Block进行copy，将会copy到堆区；
对堆Block进行copy，将会增加其引用计数；
对全局Block进行copy，因为已经是初始化的，所以不做任何处理，仍是全局Block。

二、Block中变量的截获

在Block中如果使用到了外部的变量，则会对外部的变量进行截获。在不同的场景下，Block对变量的截获方式也会不同。
如果在Block中使用了全局变量或静态变量，Block会直接对其进行访问，并不会做其他额外的操作，例如：

#import "ViewController.h"

int a = 10;
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, copy) void (^block) (void);
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"%p", &a);
    self.block = ^() {
        NSLog(@"%p", &a);
        a = 20;
    };
    self.block();
    NSLog(@"%d", a);
}

@end

运行上面的代码，控制台打印如下：

2021-10-20 15:54:17.231457+0800 Test[50301:863187] 0x1095f15a0
2021-10-20 15:54:17.231600+0800 Test[50301:863187] 0x1095f15a0
2021-10-20 15:54:17.231709+0800 Test[50301:863187] 20

从打印信息可以看到，在Block外部和内部使用的全局变量a的地址相同，所以他们实际是同一个变量，在Block内部可以对其进行访问和修改。Block内部并不会对所有用到的变量进行复制，例如全局变量或静态变量就不会复制。
如果在Block中使用到了局部变量（也称为自动变量），则Block会对其进行复制：如果所使用到的变量是值类型的，则会直接复制值；如果所使用的变量是引用类型的，则会复制引用。示例如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    int a = 10;
    NSArray *array = @[[NSObject new]];
    NSLog(@"%p, %p", &a, &array);
    self.block = ^() {
        NSLog(@"%p, %p", &a, &array);
    };
    self.block();
}

运行代码，控制台输出如下：

2021-10-20 16:04:30.045456+0800 Test[50653:871056] 0x7ffeed28304c, 0x7ffeed283040
2021-10-20 16:04:30.045604+0800 Test[50653:871056] 0x600001c26488, 0x600001c26480

在Block内部尝试对外部的局部变量进行修改时，会产生编译错误，这是编译器为我们提供的一种错误预警，因为在Block内部的变量已经和外部的变量不再是同一个变量。注意，这里说的不可修改是指变量本身，对于变量引用的对象，如果对象可以修改（例如NSMutableArray类型），在Block内部依然可以对其进行操作。
在ARC环境下，栈Block会被自动复制成堆Block。在这种情况下，被截获的指针变量也会根据修饰符的情况进行内存管理，对于__weak修饰的变量，Block内部不会对其进行强引用，它的引用计数不变，但当外部变量被释放后，Block内部的变量也将不可用。对于__strong修饰的变量，则Block内部会对其也进行强引用，增加其引用计数，当Block对象本身被释放时，其内部截获的这类变量也都会被调用release和释放。

1.局部变量截获，是值截获

例如：

NSInteger num = 3;
NSInteger(^block)(NSInteger) = ^NSInteger(NSInteger n) {
    return n*num; // 已经截获到num值为3，相当于 return n*3
};
num = 1; // 对于Block内部的num无效
NSLog(@"%zd", block(2));

这里输出的是6而不是2，原因就是对局部变量num的截获是值截获。

NSMutableArray *array = [NSMutableArray arrayWithObjects:@"1", @"2", nil];
void(^block)(void) = ^{
    NSLog(@"%@", array);
    [array addObject:@"4"];
};
[array addObject:@"3"]; // 值截获，此处值变了
array = nil; // 值截获，置nil无效，其他修改也无效，如：array = [NSMutableArray arrayWithObjects:@"5", @"6", nil];
block();

打印结果为(
1,
2,
3
)
局部对象变量也是一样，截获的是值，而不是指针，在外部将其置nil，对Block没有影响，而该对象调用方法会影响。

2.局部静态变量截获，是指针截获
static NSInteger num = 3;
NSInteger(^block)(NSInteger) = ^NSInteger(NSInteger n) {
    return n*num;
};
num = 1;
NSLog(@"%zd", block(2));

输出为2，意味着num = 1这里的修改是有效的，即指针截获。同样，在block内部去修改变量num，也是有效的。

3.全局变量、全局静态变量，不截获，直接取值
static NSInteger num3 = 3;

NSInteger num4 = 4;

- (void)test {
    NSInteger num1 = 1;
    static NSInteger num2 = 2;
    __block NSInteger num5 = 5;
    
    void(^block)(void) = ^{
        NSLog(@"%zd", num1); // 局部变量
        NSLog(@"%zd", num2); // 静态变量
        NSLog(@"%zd", num3); // 全局静态变量
        NSLog(@"%zd", num4); // 全局变量
        NSLog(@"%zd", num5); // __block修饰变量
    };
    block();
}

将上面代码用clang编译如下：

struct __BlockTest__test_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __BlockTest__test_block_desc_0* Desc;
  NSInteger num1; // 局部变量
  NSInteger *num2; // 静态变量
  __Block_byref_num5_0 *num5; // by ref // __block修饰变量
  __BlockTest__test_block_impl_0(void *fp, struct __BlockTest__test_block_desc_0 *desc, NSInteger _num1, NSInteger *_num2, __Block_byref_num5_0 *_num5, int flags=0) : num1(_num1), num2(_num2), num5(_num5->__forwarding) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;这句说明，该block是栈block。
可以看到局部变量被编译成值形式，而静态变量被编译成指针形式，全局变量并未截获。而__block修饰的变量也是以指针形式截获的，并且生成了一个新的结构体对象：

struct __Block_byref_num5_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_num5_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 NSInteger num5;
};

该对象有个属性：num5，即我们用__block修饰的变量。
这里__forwarding是指向自身的（栈block）。
一般情况下，如果我们要对block截获的局部变量进行复制操作，需要添加__block修饰符，而对全局变量、静态变量是不需要添加__block修饰符的。
另外，block里访问self或成员变量都会去截获self。

三、__block关键字

在Block内部对外部的局部变量本身进行修改是不被允许的，如果想要在Block内部修改外部的局部变量，只需要将局部变量声明成__block类型即可，示例如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    __block int a = 10;
    self.block = ^() {
        a = 20;
    };
    self.block();
    NSLog(@"%d", a); // 20
}

对于使用__block修饰的变量，实际上会被包装成对象，这种操作有些类似于使用指针实现对值类型变量的修改，使用下面的代码也可以实现Block内部修改外部局部变量的值：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    int *a = malloc(sizeof(int));
    *a = 10;
    NSLog(@"%p, %p", a, &a);
    self.block = ^() {
        *a = 20;
        NSLog(@"%p, %p", a, &a);
    };
    self.block();
    NSLog(@"%d", *a);
    free(a);
}

运行代码，控制台输出如下：

2021-10-20 16:18:02.356189+0800 Test[51124:880533] 0x600000c04600, 0x7ffee7f31058
2021-10-20 16:18:02.356360+0800 Test[51124:880533] 0x600000c04600, 0x60000001e510
2021-10-20 16:18:02.356484+0800 Test[51124:880533] 20

__block变量在copy时，由于__forwarding的存在，栈上的__forwarding指针会指向堆上的__forwarding变量，而堆上的__forwarding指针指向其自身，所以，对__block的修改，实际上是在修改堆上的__block.
所以，__forwarding指针存在的意义就是，无论在任何内存位置，都可以顺利访问同一个__block变量。
另外，由于block捕获的__block修饰的变量会去持有变量，那么如果用__block修饰self，且self持有block，并且block内部使用到__block修饰的self时，就会造成多循环引用，即self持有block，block持有__block变量，而__block变量持有self，造成内存泄露。
例如：

__block typeof(self) weakSelf = self;
_testBlock = ^{
    NSLog(@"%@", weakSelf);
};
_testBlock();

要解决这种循环引用，可以主动断开__block变量对self的持有，即在block内部使用完weakSelf后，将其置nil。但是这种方式有个问题，如果block一直不被调用，那么循环引用将一直存在。
所以，最好还是用__weak来修饰self。

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