Objective-C中的Block[轉]

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1.相關概念

在這篇筆記開始之前，我們需要對以下概念有所瞭解。

1.1 作業系統中的棧和堆

註：這裡所說的堆和棧與資料結構中的堆和棧不是一回事。

我們先來看看一個由C/C++/OBJC編譯的程式佔用記憶體分布的結構： 

棧區（stack）：由系統自動分配，一般存放函數參數值、局部變數的值等。由編譯器自動建立與釋放。其操作方式類似於資料結構中的棧，即後進先出、先進後出的原則。

例如：在函數中申明一個局部變數int b;系統自動在棧中為b開闢空間。

堆區（heap）：一般由程式員申請並指明大小，最終也由程式員釋放。如果程式員不釋放，程式結束時可能會由OS回收。對於堆區的管理是採用鏈表式管理的，作業系統有一個記錄空閑記憶體位址的鏈表，當接收到程式分配記憶體的申請時，作業系統就會遍曆該鏈表，遍曆到一個記錄的記憶體位址大於申請記憶體的鏈表節點，並將該節點從該鏈表中刪除，然後將該節點記錄的記憶體位址分配給程式。

例如：在C中malloc函數 

1 char p1; 2 p1 = (char )malloc(10);

 

但是p1本身是在棧中的。

鏈表：是一種常見的基礎資料結構，一般分為單向鏈表、雙向鏈表、迴圈鏈表。以下為單向鏈表的結構圖：

單向鏈表是鏈表中最簡單的一種，它包含兩個地區，一個資訊域和一個指標域。資訊域儲存或顯示關於節點的資訊，指標域儲存下一個節點的地址。

上述的空閑記憶體位址鏈表的資訊域儲存的就是空閑記憶體的地址。

全域區/靜態區：顧名思義，全域變數和靜態變數儲存在這個地區。只不過初始化的全域變數和靜態變數儲存在一塊，未初始化的全域變數和靜態變數儲存在一塊。程式結束後由系統釋放。

文字常量區：這個地區主要儲存字串常量。程式結束後由系統釋放。

程式碼區：這個地區主要存放函數體的二進位代碼。

下面舉一個前輩寫的例子：

 1 //main.cpp 2 int a = 0; // 全域初始化區 3 char *p1; // 全域未初始化區 4 main { 5     int b; // 棧 6     char s[] = "abc"; // 棧 7     char *p2; // 棧 8     char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量區，p3在棧上 9     static int c =0； // 全域靜態初始化區10     p1 = (char *)malloc(10);11     p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來的10和20位元組的地區就在堆區12     strcpy(p1, "123456"); // 123456\0在常量區，這個函數的作用是將"123456" 這串字串複製一份放在p1申請的10個位元組的堆地區中。13     // p3指向的"123456"與這裡的"123456"可能會被編譯器最佳化成一個地址。14 }

strcpy函數

原型聲明：extern char *strcpy(char* dest, const char *src);

功能：把從src地址開始且含有NULL結束符的字串複製到以dest開始的地址空間。

1.2 結構體（Struct）

在C語言中，結構體(struct)指的是一種資料結構。結構體可以被聲明為變數、指標或數組等，用以實現較複雜的資料結構。結構體同時也是一些元素的集合，這些元素稱為結構體的成員(member)，且這些成員可以為不同的類型，成員一般用名字訪問。

我們來看看結構體的定義：

struct tag { member-list } variable-list;

 

struct：結構體關鍵字。

tag：結構體標籤。

member-list：結構體成員列表。

variable-list：為結構體聲明的變數列表。

在一般情況下，tag，member-list，variable-list這三部分至少要出現兩個。以下為樣本：

 1 // 該結構體擁有3個成員，整型的a，字元型的b，雙精確度型的c 2 // 並且為該結構體聲明了一個變數s1 3 // 該結構體沒有標明其標籤 4 struct{ 5     int a; 6     char b; 7     double c; 8 } s1; 9 // 該結構體擁有同樣的三個成員10 // 並且該結構體標明了標籤EXAMPLE11 // 該結構體沒有聲明變數12 struct EXAMPLE{13     int a;14     char b;15     double c;16 };17 //用EXAMPLE標籤的結構體，另外聲明了變數t1、t2、t318 struct EXAMPLE t1, t2[20], *t3;

 

以上就是簡單結構體的程式碼範例。結構體的成員可以包含其他結構體，也可以包含指向自己結構體類型的指標。結構體的變數也可以是指標。

下面我們來看看結構體成員的訪問。結構體成員依據結構體變數類型的不同，一般有2種訪問方式，一種為直接存取，一種為間接訪問。直接存取應用於普通的結構體變數，間接訪問應用於指向結構體變數的指標。直接存取使用結構體變數名.成員名，間接訪問使用(*結構體指標名).成員名或者使用結構體指標名->成員名。相同的成員名稱依靠不同的變數首碼區分。

 1 struct EXAMPLE{ 2     int a; 3     char b; 4 }; 5 //聲明結構體變數s1和指向結構體變數的指標s2 6 struct EXAMPLE s1, *s2; 7 //給變數s1和s2的成員賦值,注意s1.a和s2->a並不是同一成員 8 s1.a = 5; 9 s1.b = 6;10 s2->a = 3;11 s2->b = 4;

 

最後我們來看看結構體成員儲存。在記憶體中，編譯器按照成員列表順序分別為每個結構體成員分配記憶體。如果想確認結構體佔多少儲存空間，則使用關鍵字sizeof，如果想得知結構體的某個特定成員在結構體的位置，則使用offsetof宏(定義於stddef.h)。

1 struct EXAMPLE{2     int a;3     char b;4 };5 //獲得EXAMPLE類型結構體所佔記憶體大小6 int size_example = sizeof( struct EXAMPLE );7 //獲得成員b相對於EXAMPLE儲存地址的位移量8 int offset_b = offsetof( struct EXAMPLE, b );

 

1.3 閉包（Closure）

閉包就是一個函數，或者一個指向函數的指標，加上這個函數執行的非局部變數。

說的通俗一點，就是閉包允許一個函數訪問聲明該函數運行上下文中的變數，甚至可以訪問不同運行上文中的變數。

我們用指令碼語言來看一下：

 1 function funA(callback){ 2     alert(callback()); 3 } 4 function funB(){ 5     var str = "Hello World"; // 函數funB的局部變數，函數funA的非局部變數 6     funA（ 7         function（）{ 8             return str; 9         }10     ）；11 }

 

通過上面的代碼我們可以看出，按常規思維來說，變數str是函數funB的局部變數，範圍只在函數funB中，函數funA是無法訪問到str的。但是上述程式碼範例中函數funA中的callback可以訪問到str，這是為什麼呢，因為閉包性。

2.blcok基礎知識

block實際上就是Objective-C語言對閉包的實現。

2.1 block的原型及定義

我們來看看block的原型：

NSString * ( ^ myBlock )( int );

 

上面的代碼聲明了一個block(^)原型，名字叫做myBlock，包含一個int型的參數，傳回值為NSString類型的指標。

下面來看看block的定義：

1 myBlock = ^( int paramA )2 {3     return [ NSString stringWithFormat: @"Passed number: %i", paramA ];4 };

 

上面的代碼中，將一個函數體賦值給了myBlock變數，其接收一個名為paramA的參數，返回一個NSString對象。

注意：一定不要忘記block後面的分號。

定義好block後，就可以像使用標準函數一樣使用它了：

myBlock(7);

 

由於block資料類型的文法會降低整個代碼的閱讀性，所以常使用typedef來定義block類型。例如，下面的代碼建立了GetPersonEducationInfo和GetPersonFamilyInfo兩個新類型，這樣我們就可以在下面的方法中使用更加有語義的資料類型。

1 // Person.h2 #import // Define a new type for the block3 typedef NSString * (^GetPersonEducationInfo)(NSString *);4 typedef NSString * (^GetPersonFamilyInfo)(NSString *);5 @interface Person : NSObject6 - (NSString *)getPersonInfoWithEducation:(GetPersonEducationInfo)educationInfo7     andFamily:(GetPersonFamilyInfo)familyInfo;8 @end

 

我們用一張大師文章裡的圖來總結一下block的結構：

2.2 將block作為參數傳遞

1 // .h2 -(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock;3 // .m4 -(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock5 {6     NSLog(@"Block returned: %@", myBlock(7) );7 }

 

由於Objective-C是強制類型語言，所以作為函數參數的block也必須要指定傳回值的類型，以及相關參數類型。

2.3 閉包性

上文說過，block實際是Objc對閉包的實現。

我們來看看下面代碼：

 1 #import void logBlock( int ( ^ theBlock )( void ) ) 2 { 3     NSLog( @"Closure var X: %i", theBlock() ); 4 } 5 int main( void ) 6 { 7     NSAutoreleasePool * pool; 8     int ( ^ myBlock )( void ); 9     int x;10     pool = [ [ NSAutoreleasePool alloc ] init ];11     x = 42;12     myBlock = ^( void )13     {14         return x;15     };16     logBlock( myBlock );17     [ pool release ];18     return EXIT_SUCCESS;19 }

 

上面的代碼在main函數中聲明了一個整型，並賦值42，另外還聲明了一個block，該block會將42返回。然後將block傳遞給logBlock函數，該函數會顯示出返回的值42。即使是在函數logBlock中執行block，而block又聲明在main函數中，但是block仍然可以訪問到x變數，並將這個值返回。

注意：block同樣可以訪問全域變數，即使是static。

2.4 block中變數的複製與修改

對於block外的變數引用，block預設是將其複製到其資料結構中來實現訪問的，如：

通過block進行閉包的變數是const的。也就是說不能在block中直接修改這些變數。來看看當block試著增加x的值時，會發生什麼：

1 myBlock = ^( void )2 {3     x++;4     return x;5 };

 

編譯器會報錯，表明在block中變數x是唯讀。

有時候確實需要在block中處理變數，怎麼辦？別著急，我們可以用__block關鍵字來聲明變數，這樣就可以在block中修改變數了。

基於之前的代碼，給x變數添加__block關鍵字，如下：

__block int x;

 

對於用__block修飾的外部變數引用，block是複製其引用地址來實現訪問的，如：

3.編譯器中的block

3.1 block的資料結構定義

我們通過大師文章中的一張圖來說明：

這個結構是在棧中的結構，我們來看看對應的結構體定義：

 1 struct Block_descriptor { 2     unsigned long int reserved; 3     unsigned long int size; 4     void (*copy)(void *dst, void *src); 5     void (*dispose)(void *); 6 }; 7 struct Block_layout { 8     void *isa; 9     int flags;10     int reserved;11     void (*invoke)(void *, ...);12     struct Block_descriptor *descriptor;13     /* Imported variables. */14 };

 

從上面代碼看出，Block_layout就是對block結構體的定義：

isa指標：指向表明該block類型的類。

flags：按bit位表示一些block的附加資訊，比如判斷block類型、判斷block引用計數、判斷block是否需要執行輔助函數等。

reserved：保留變數，我的理解是表示block內部的變數數。

invoke：函數指標，指向具體的block實現的函數調用地址。

descriptor：block的附加描述資訊，比如保留變數數、block的大小、進行copy或dispose的輔助函數指標。

variables：因為block有閉包性，所以可以訪問block外部的局部變數。這些variables就是複製到結構體中的外部局部變數或變數的地址。

3.2 block的類型

block有幾種不同的類型，每種類型都有對應的類，上述中isa指標就是指向這個類。這裡列出常見的三種類型：

_NSConcreteGlobalBlock：全域的靜態block，不會訪問任何外部變數，不會涉及到任何拷貝，比如一個空的block。例如：

1 #include int main()2 {3     ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();4     return 0;5 }

 

_NSConcreteStackBlock：儲存在棧中的block，當函數返回時被銷毀。例如：

1 #include int main()2 {3     char a = ‘A‘;4     ^{ printf("%c\n",a); } ();5     return 0;6 }

 

_NSConcreteMallocBlock：儲存在堆中的block，當引用計數為0時被銷毀。該類型的block都是由_NSConcreteStackBlock類型的block從棧中複製到堆中形成的。例如下面代碼中，在exampleB_addBlockToArray方法中的block還是_NSConcreteStackBlock類型的，在exampleB方法中就被複製到了堆中，成為_NSConcreteMallocBlock類型的block：

 1 void exampleB_addBlockToArray(NSMutableArray *array) { 2     char b = ‘B‘; 3     [array addObject:^{ 4             printf("%c\n", b); 5     }]; 6 } 7 void exampleB() { 8     NSMutableArray *array = [NSMutableArray array]; 9     exampleB_addBlockToArray(array);10     void (^block)() = [array objectAtIndex:0];11     block();12 }

 

總結一下：

_NSConcreteGlobalBlock類型的block要麼是空block，要麼是不訪問任何外部變數的block。它既不在棧中，也不在堆中，我理解為它可能在記憶體的全域區。

_NSConcreteStackBlock類型的block有閉包行為，也就是有訪問外部變數，並且該block只且只有有一次執行，因為棧中的空間是可重複使用的，所以當棧中的block執行一次之後就被清除出棧了，所以無法多次使用。

_NSConcreteMallocBlock類型的block有閉包行為，並且該block需要被多次執行。當需要多次執行時，就會把該block從棧中複製到堆中，供以多次執行。

3.3 編譯器如何編譯

我們通過一個簡單的樣本來說明：

 1 #import typedef void(^BlockA)(void); 2 __attribute__((noinline)) 3 void runBlockA(BlockA block) { 4     block(); 5 } 6 void doBlockA() { 7     BlockA block = ^{ 8         // Empty block 9     };10     runBlockA(block);11 }

 

上面的代碼定義了一個名為BlockA的block類型，該block在函數doBlockA中實現，並將其作為函數runBlockA的參數，最後在函數doBlockA中調用函數runBloackA。

注意：如果block的建立和調用都在一個函數裡面，那麼最佳化器(optimiser)可能會對代碼做最佳化處理，從而導致我們看不到編譯器中的一些操作，所以用__attribute__((noinline))給函數runBlockA添加noinline，這樣最佳化器就不會在doBlockA函數中對runBlockA的調用做內聯最佳化處理。

我們來看看編譯器做的工作內容：

 1 #import __attribute__((noinline)) 2 void runBlockA(struct Block_layout *block) { 3     block->invoke(); 4 } 5 void block_invoke(struct Block_layout *block) { 6     // Empty block function 7 } 8 void doBlockA() { 9     struct Block_descriptor descriptor;10     descriptor->reserved = 0;11     descriptor->size = 20;12     descriptor->copy = NULL;13     descriptor->dispose = NULL;14     struct Block_layout block;15     block->isa = _NSConcreteGlobalBlock;16     block->flags = 1342177280;17     block->reserved = 0;18     block->invoke = block_invoke;19     block->descriptor = descriptor;20     runBlockA(&block);21 }

 

上面的代碼結合block的資料結構定義，我們能很容易得理解編譯器內部對block的工作內容。

3.4 copy()和dispose()

上文中提到，如果我們想要在以後繼續使用某個block，就必須要對該block進行拷貝操作，即從棧空間複製到堆空間。所以拷貝操作就需要調用Block_copy()函數，block的descriptor中有一個copy()輔助函數，該函數在Block_copy()中執行，用於當block需要拷貝對象的時候，拷貝輔助函數會retain住已經拷貝的對象。

既然有有copy那麼就應該有release，與Block_copy()對應的函數是Block_release()，它的作用不言而喻，就是釋放我們不需要再使用的block，block的descriptor中有一個dispose()輔助函數，該函數在Block_release()中執行，負責做和copy()輔助函數相反的操作，例如釋放掉所有在block中拷貝的變數等。

4.總結

以上內容是我學習各大師的文章後對自己學習情況的一個記錄，其中有部分文字和程式碼範例是來自大師的文章，還有一些自己的理解，如有錯誤還請大家勘誤

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