iOS中block實現的探究

[0. Brief introduction of block]

Block是iOS4.0+ 和Mac OS X 10.6+ 引進的對C語言的擴充，用來實現匿名函數的特性。

用維基百科的話來說，Block是Apple Inc.為C、C++以及Objective-C添加的特性，使得這些語言可以用類lambda運算式的文法來建立閉包。

用Apple文檔的話來說，A block is an anonymous inline collection of code, and sometimes also called a "closure".

關於閉包，我覺得阮一峰的一句話解釋簡潔明了：閉包就是能夠讀取其它函數內部變數的函數。

這個解釋用到block來也很恰當：一個函數裡定義了個block，這個block可以訪問該函數的內部變數。

一個簡單的Block樣本如下：

[cpp]
view plaincopy

1. int (^maxBlock)(int, int) = ^(int x, int y) { return x > y ? x : y; };  

如果用Python的lambda運算式來寫，可以寫成如下形式：

[python]
view plaincopy

1. f = lambda x, y : x if x > y else y  

不過由於Python自身的語言特性，在def定義的函數體中，可以很自然地再用def語句定義內嵌函數，因為這些函數本質上都是對象。

如果用BNF來表示block的上下文無關文法，大致如下：

[cpp]
view plaincopy

1. block_expression  ::=  ^  block_declare  block_statement  
2. block_declare  ::=  block_return_type  block_argument_list  
3. block_return_type ::=  return_type  |  空  
4. block_argument_list  ::=  argument_list  |  空  

[1. Why block]

Block除了能夠定義參數列表、傳回型別外，還能夠擷取被定義時的詞法範圍內的狀態（比如局部變數），並且在一定條件下（比如使用__block變數）能夠修改這些狀態。此外，這些可修改的狀態在相同詞法範圍內的多個block之間是共用的，即便出了該詞法範圍（比如棧展開，出了範圍），仍可以繼續共用或者修改這些狀態。

通常來說，block都是一些簡短程式碼片段的封裝，適用作工作單元，通常用來做並發任務、遍曆、以及回調。

比如我們可以在遍曆NSArray時做一些事情：

[cpp]
view plaincopy

1. - (void)enumerateObjectsUsingBlock:(void (^)(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop))block;  

其中將stop設為YES，就跳出迴圈，不繼續遍曆了。

而在很多架構中，block越來越經常被用作回呼函數，取代傳統的回調方式。

• 用block作為回呼函數，可以使得程式員在寫代碼更順暢，不用中途跑到另一個地方寫一個回呼函數，有時還要考慮這個回呼函數放在哪裡比較合適。採用block，可以在調用函數時直接寫後續處理代碼，將其作為參數傳遞過去，供其任務執行結束時回調。
• 另一個好處，就是採用block作為回調，可以直接存取局部變數。比如我要在一批使用者中修改一個使用者的name，修改完成後通過回調更新對應使用者的儲存格UI。這時候我需要知道對應使用者儲存格的index，如果採用傳統回調方式，要嘛需要將index帶過去，回調時再回傳過來；要嘛通過外部範圍記錄當前操作儲存格的index（這限制了一次只能修改一個使用者的name）；要嘛遍曆找到對應使用者。而使用block，則可以直接存取儲存格的index。

這份文檔中提到block的幾種適用場合：

• 任務完成時回調處理
• 訊息監聽回調處理
• 錯誤回調處理
• 枚舉回調
• 視圖動畫、變換
• 排序

[2. About __block_impl]

Clang提供了中間代碼展示的選項供我們進一步瞭解block的原理。

以一段很簡單的代碼為例：

使用-rewrite-objc選項編譯：

得到一份block0.cpp檔案，在這份檔案中可以看到如下程式碼片段：

從命名可以看出這是block的實現，並且得知block在Clang編譯器前端得到實現，可以產生C中間代碼。很多語言都可以只實現編譯器前端，產生C中間代碼，然後利用現有的很多C編譯器後端。

從結構體的成員可以看出，Flags、Reserved可以先略過，isa指標表明了block可以是一個NSObject，而FuncPtr指標顯然是block對應的函數指標。

由此，揭開了block的神秘面紗。

不過，block相關的變數放哪裡呢？上面提到block可以capture詞法範圍內（或者說是外層上下文、範圍）的狀態，即便是出了該範圍，仍然可以修改這些狀態。這是如何做到的呢？

[3. Implementation of a simple block]

先看一個只輸出一句話的block是怎麼樣的。

產生中間代碼，得到片段如下：

首先出現的結構體就是__main_block_impl_0，可以看出是根據所在函數（main函數）以及出現序列（第0個）進行命名的。如果是全域block，就根據變數名和出現序列進行命名。__main_block_impl_0中包含了兩個成員變數和一個建構函式，成員變數分別是__block_impl結構體和描述資訊Desc，之後在建構函式中初始化block的類型資訊和函數指標等資訊。

接著出現的是__main_block_func_0函數，即block對應的函數體。該函數接受一個__cself參數，即對應的block自身。

再下面是__main_block_desc_0結構體，其中比較有價值的資訊是block大小。

最後就是main函數中對block的建立和調用，可以看出執行block就是調用一個以block自身作為參數的函數，這個函數對應著block的執行體。

這裡，block的類型用_NSConcreteStackBlock來表示，表明這個block位於棧中。同樣地，還有_NSConcreteMallocBlock和_NSConcreteGlobalBlock。

由於block也是NSObject，我們可以對其進行retain操作。不過在將block作為回呼函數傳遞給底層架構時，底層架構需要對其copy一份。比方說，如果將回調block作為屬性，不能用retain，而要用copy。我們通常會將block寫在棧中，而需要回調時，往往回調block已經不在棧中了，使用copy屬性可以將block放到堆中。或者使用Block_copy()和Block_release()。

[4. Capture local variable]

再看一個訪問局部變數的block是怎樣的。

產生中間代碼，得到片段如下：

可以看出這次的block結構體__main_block_impl_0多了個成員變數i，用來儲存使用到的局部變數i（值為1024）；並且此時可以看到__cself參數的作用，類似C++中的this和Objective-C的self。

如果我們嘗試修改局部變數i，則會得到如下錯誤：

錯誤資訊很詳細，既告訴我們變數不可賦值，也提醒我們要使用__block類型標識符。

為什麼不能給變數i賦值呢？

因為main函數中的局部變數i和函數__main_block_func_0不在同一個範圍中，調用過程中只是進行了值傳遞。當然，在上面代碼中，我們可以通過指標來實現局部變數的修改。不過這是由於在調用__main_block_func_0時，main函數棧還沒展開完成，變數i還在棧中。但是在很多情況下，block是作為參數傳遞以供後續回調執行的。通常在這些情況下，block被執行時，定義時所在的函數棧已經被展開，局部變數已經不在棧中了（block此時在哪裡？），再用指標訪問就⋯⋯。

所以，對於auto類型的局部變數，不允許block進行修改是合理的。

[5. Modify static local variable]

於是我們也可以推斷出，靜態局部變數是如何在block執行體中被修改的——通過指標。

因為靜態局部變數存在於資料區段中，不存在棧展開後非法訪存的風險。

上面中間程式碼片段與前一個片段的差別主要在於main函數裡傳遞的是i的地址（&i），以及__main_block_impl_0結構體中成員i變成指標類型（int
*）。

然後在執行block時，通過指標修改值。

當然，全域變數、靜態全域變數都可以在block執行體內被修改。更準確地講，block可以修改它被調用（這裡是__main_block_func_0）時所處範圍內的變數。比如一個block作為成員變數時，它也可以訪問同一個對象裡的其它成員變數。

[6. Implementation of __block variable]

那麼，__block類型變數是如何支援修改的呢？

我們為int類型變數加上__block指示符，使得變數i可以在block函數體中被修改。

此時再看中間代碼，會多出很多資訊。首先是__block變數對應的結構體：

由第一個成員__isa指標也可以知道__Block_byref_i_0也可以是NSObject。

第二個成員__forwarding指向自己，為什麼要指向自己？指向自己是沒有意義的，只能說有時候需要指向另一個__Block_byref_i_0結構。

最後一個成員是目標儲存變數i。

此時，__main_block_impl_0結構如下：

__main_block_impl_0的成員變數i變成了__Block_byref_i_0 *類型。

對應的函數__main_block_func_0如下：

亮點是__Block_byref_i_0指標類型變數i，通過其成員變數__forwarding指標來操作另一個成員變數。

而main函數如下：

通過這樣看起來有點複雜的改變，我們可以修改變數i的值。但是問題同樣存在：__Block_byref_i_0類型變數i仍然處於棧上，當block被回調執行時，變數i所在的棧已經被展開，怎麼辦？

在這種關鍵時刻，__main_block_desc_0站出來了：

此時，__main_block_desc_0多了兩個成員函數：copy和dispose，分別指向__main_block_copy_0和__main_block_dispose_0。

當block從棧上被copy到堆上時，會調用__main_block_copy_0將__block類型的成員變數i從棧上複製到堆上；而當block被釋放時，相應地會調用__main_block_dispose_0來釋放__block類型的成員變數i。

一會在棧上，一會在堆上，那如果棧上和堆上同時對該變數進行操作，怎麼辦？

這時候，__forwarding的作用就體現出來了：當一個__block變數從棧上被複製到堆上時，棧上的那個__Block_byref_i_0結構體中的__forwarding指標也會指向堆上的結構。

/* ---------------------------------------------------------------------------------------------------- */

本來還想繼續寫下去，結果發現文章有點長了。先到此。

原文連結：http://blog.csdn.net/jasonblog/article/details/7756763

Jason Lee @ Hangzhou