iOS中block實現的探究

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[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加入的特性，使得這些語言能夠用類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，我認為阮一峰的一句話解釋簡潔明了：閉包就是可以讀取其他函數內部變數的函數。

這個解釋用到block來也非常恰當：一個函數裡定義了個block，這個block能夠訪問該函數的內部變數。

一個簡單的Block示比例如以下：

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

假設用Python的lambda運算式來寫，能夠寫成例如以下形式：

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

只是由於Python自身的語言特性，在def定義的函數體中，能夠非常自然地再用def語句定義內嵌函數，由於這些函數本質上都是對象。

假設用BNF來表示block的上下文無關文法，大致例如以下：

block_expression  ::=  ^  block_declare  block_statementblock_declare  ::=  block_return_type  block_argument_listblock_return_type ::=  return_type  |  空block_argument_list  ::=  argument_list  |  空

[1. Why block]

Block除了可以定義參數列表、傳回型別外，還可以擷取被定義時的詞法範圍內的狀態（比方局部變數），而且在一定條件下（比方使用__block變數）可以改動這些狀態。此外，這些可改動的狀態在同樣詞法範圍內的多個block之間是共用的，即便出了該詞法範圍（比方棧展開，出了範圍），仍可以繼續共用或者改動這些狀態。

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，通經常使用來做並發任務、遍曆、以及回調。

比方我們能夠在遍曆NSArray時做一些事情：

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

當中將stop設為YES，就跳出迴圈，不繼續遍曆了。

而在非常多架構中，block越來越常常被用作回呼函數，代替傳統的回調方式。

• 用block作為回呼函數，能夠使得程式猿在寫代碼更順暢，不用中途跑到還有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，能夠在調用函數時直接寫興許處理代碼，將其作為參數傳遞過去，供其任務運行結束時回調。
• 還有一個優點，就是採用block作為回調，能夠直接訪問局部變數。比方我要在一批使用者中改動一個使用者的name，改動完畢後通過回調更新相應使用者的單元格UI。這時候我須要知道相應使用者單元格的index，假設採用傳統回調方式，要嘛須要將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單元格的index（這限制了一次僅僅能改動一個使用者的name）；要嘛遍曆找到相應使用者。而使用block，則能夠直接訪問單元格的index。

這份文檔中提到block的幾種適用場合：

• 任務完畢時回調處理
• 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。

以一段非常easy的代碼為例：

使用-rewrite-objc選項編譯：

得到一份block0.cpp檔案，在這份檔案裡能夠看到例如以下程式碼片段：

從命名能夠看出這是block的實現，而且得知block在Clang編譯器前端得到實現，能夠產生C中間代碼。非常多語言都能夠僅僅實現編譯器前端，產生C中間代碼，然後利用現有的非常多C編譯器後端。

從結構體的成員能夠看出，Flags、Reserved能夠先略過，isa指標表明了block能夠是一個NSObject，而FuncPtr指標顯然是block相應的函數指標。

由此，揭開了block的神奇面紗。

只是，block相關的變數放哪裡呢？上面提到block能夠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，仍然能夠改動這些狀態。這是怎樣做到的呢？

[3. Implementation of a simple block]

先看一個僅僅輸出一句話的block是怎麼樣的。

產生中間代碼，得到片段例如以下：

首先出現的結構體就是__main_block_impl_0，能夠看出是依據所在函數（main函數）以及出現序列（第0個）進行命名的。假設是全域block，就依據變數名和出現序列進行命名。__main_block_impl_0中包括了兩個成員變數和一個建構函式，成員變數各自是__block_impl結構體和描寫敘述資訊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相應的函數體。該函數接受一個__cself參數，即相應的block自身。

再以下是__main_block_desc_0結構體，當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，能夠看出運行block就是調用一個以block自身作為參數的函數，這個函數相應著block的運行體。

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

因為block也是NSObject，我們能夠對其進行retain操作。只是在將block作為回呼函數傳遞給底層架構時，底層架構須要對其copy一份。例如說，假設將回調block作為屬性，不能用retain，而要用copy。我們一般會將block寫在棧中，而須要回調時，往往回調block已經不在棧中了，使用copy屬效能夠將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是如何的。

產生中間代碼，得到片段例如以下：

能夠看出這次的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）；而且此時能夠看到__cself參數的作用，類似C++中的this和Objective-C的self。

假設我們嘗試改動局部變數i，則會得到例如以下錯誤：

錯誤資訊非常具體，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？

由於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，調用過程中僅僅是進行了值傳遞。當然，在上面代碼中，我們能夠通過指標來實現局部變數的改動。只是這是由於在調用__main_block_func_0時，main函數棧還沒展開完畢，變數i還在棧中。可是在非常多情況下，block是作為參數傳遞以供興許回調啟動並執行。通常在這些情況下，block被運行時，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，不同意block進行改動是合理的。

[5. Modify static local variable]

於是我們也能夠判斷出，靜態局部變數是怎樣在block運行體中被改動的——通過指標。

由於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區別主要在於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 *）。

然後在運行block時，通過指標改動值。

當然，全域變數、靜態全域變數都能夠在block運行體內被改動。更準確地講，block能夠改動它被調用（這裡是__main_block_func_0）時所處範圍內的變數。比方一個block作為成員變數時，它也能夠訪問同一個對象裡的其他成員變數。

[6. Implementation of __block variable]

那麼，__block類型變數是怎樣支援改動的呢？

我們為int類型變數加上__block指示符，使得變數i能夠在block函數體中被改動。

此時再看中間代碼，會多出非常多資訊。首先是__block變數相應的結構體：

由第一個成員__isa指標也能夠知道__Block_byref_i_0也能夠是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，僅僅能說有時候須要指向還有一個__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結構例如以下：

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

相應的函數__main_block_func_0例如以下：

亮點是__Block_byref_i_0指標類型變數i，通過其成員變數__forwarding指標來操作還有一個成員變數。 :-)

而main函數例如以下：

通過這樣看起來有點複雜的改變，我們能夠改動變數i的值。可是問題相同存在：__Block_byref_i_0類型變數i仍然處於棧上，當block被回調運行時，變數i所在的棧已經被展開，怎麼辦？

在這樣的關鍵時刻，__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從棧上拷貝到堆上；而當block被釋放時，對應地會調用__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，那假設棧上和堆上同一時候對該變數進行操作，怎麼辦？

這時候，__forwarding的作用就體現出來了：當一個__block變數從棧上被拷貝到堆上時，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。

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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

iOS中block實現的探究