Block详解
转自:http://www.dreamingwish.com/dream-category/toturial/block-guide
Block介绍(一)基础
一、概述
Block是C级别的语法和运行时特性。Block比较类似C函数,但是Block比之C函数,其灵活性体现在栈内存、堆内存的引用,我们甚至可以将一个Block作为参数传给其他的函数或者Block。
二、热身
先看一个比较简单的Block例子:
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int multiplier = 7 ; int (^myBlock)( int ) = ^( int num) { return num * multiplier; }; |
在这个例子中,myBlock是一个Block变量,它接受一个int类型的参数,返回一个int类型的值。是不是很像C函数?
来,让我们typedef一下
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typedef void (^BoolBlock)( BOOL ); //一个只接受一个BOOL参数,没有返回值的block typedef int (^IntBlock)( void ); //一个没有参数,返回int的block typedef BoolBlock (^HugeBlock)(IntBlock); //看看,这个HugeBlock的参数和返回值都是block |
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三、更详细的例子
注意,上面的typedef都还有效~
主动调用一下:
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- ( void )someMethod { BoolBlock ablock = ^( BOOL bValue) { NSLog ( @ "Bool block!" ); }; ablock(); } |
作为参数返回:
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typedef void (^BoolBlock)( BOOL ); - (BoolBlock)foo() { BoolBlock ablock = ^( BOOL bValue) { NSLog ( @ "Bool block!" ); }; return [[ablock copy ] autorelease ]; //一定要copy,将其复制到堆上,更详细的原理,将在后续章节讲解 } |
类的一个成员:
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@interface OBJ1 : NSObject @property ( nonatomic , copy )BoolBlock block; //理由同上啊,同学们 @end OBJ1 *obj1 = ... obj1.block = ^( BOOL bValue) { NSLog ( @ "Bool block!" ); }; |
其他函数的参数:
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- ( void )foo(BoolBlock block) { if (block) { block(); } } |
甚至其他block的参数:
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BoolBlock bBlock = ^( BOOL bV){ if (Bv){ /*do some thing*/ }}; HugeBlock hBlock = ^(BoolBlock bB) {bB();}; hBolck(bBlock); |
啊,全局变量!:
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static int (^maxIntBlock)( int , int ) = ^( int a, int b){ return a>b?a:b;}; int main() { printf( "%d\n" , maxIntBlock (2 ,10 )); return 0 ; } |
好了,你知道block大概能怎么用了。
四,特殊的标记,__block
如果要在block内修改block外声明的栈变量,那么一定要对该变量加__block标记:
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int main() { __block int i = 1024 ; BoolBlock bBlock = ^( BOOL bV) { if (bV) { i++; //如果没有__block标记,是无法通过编译的。 } }; } |
好了,基础很快,更详细的内容将用来介绍深入的东西。
Block介绍(二)内存管理与其他特性
我们在前一章介绍了block的用法,而正确使用block必须要求正确理解block的内存管理问题。
这一章,我们只陈述结果而不追寻原因,我们将在下一章深入其原因。
一、block放在哪里
我们针对不同情况来讨论block的存放位置:
1.栈和堆
以下情况中的block位于堆中:
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void foo() { __block int i = 1024 ; int j = 1 ; void (^blk)( void ); void (^blkInHeap)( void ); blk = ^{ printf( "%d, %d\n" , i, j);}; //blk在栈里 blkInHeap = Block_copy(blk); //blkInHeap在堆里 } - ( void )fooBar { _oi = 1 ; OBJ1* oj = self ; void (^oblk)( void ) = ^{ printf( "%d\n" , oj.oi);}; void (^oblkInHeap)( void ) = [oblk copy ]; //oblkInHeap在堆中 } |
2.全局区
以下情况中的block位于全局区:
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static int (^maxIntBlock)( int , int ) = ^( int a, int b){ return a>b?a:b;}; - ( void )fooBar { int (^maxIntBlockCopied)( int , int ) =[maxIntBlock copy ]; } void foo() { int (^maxIntBlockCopied)( int , int ) = Block_copy(maxIntBlock); } |
需要注意的是,这里复制过后的block依旧位于全局区,实际上,复制操作是直接返回了原block对象。
二、block引用的变量在哪里
1.全局区
全局区的变量存储位置与block无关:
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static int gVar = 0 ; //__block static int gMVar = 1; void foo() { static int stackVar = 0 ; // __block static int stackMVar = 0; } |
注意,static变量是不允许添加__block标记的
2.堆栈
此时,你可能会问,当函数foo返回后,栈上的j已经回收,那么blkInHeap怎么能继续使用它?这是因为没有__block标记的变量,会被当做实参传入block的底层实现函数中,当block中的代码被执行时,j已经不是原来的j了,所谓物是人非就是这样吧~
另外,如果使用到变量j的所有block都没有被复制至heap,那么这个变量j也不会被复制至heap。
因此,即使将j++这一句放到blk()这句之前,这段代码执行后,控制台打印结果也是:1024, 1。而不是1024, 2
三、其他特性
1.复制的行为
对block调用复制,有以下几种情况:
1.对全局区的block调用copy,会返回原指针,并且这期间不处理任何东西(至少目前的内部实现是这样);
2.对栈上的block调用copy,每次会返回新复制到堆上的block的指针,同时,所有__block变量都会被复制至堆一份(多次拷贝,只会生成一份)。
3.对已经位于heap上的block,再次调用copy,只会增加block的引用计数。
为什么我们不讨论retian的行为?原因是并没有Block_retain()这样的函数,而且objc里面的retain消息发送给block对象后,其内部实现是什么都不做。
2.objc类中的block复制
objc类实例方法中的block如果被复制至heap,那么当前实例会被增加引用计数,当这个block被释放时,此实例会被减少引用计数。
但如果这个block没有使用当前实例的任何成员,那么当前实例不会被增加引用计数。这也是很自然的道理,我既然没有用到这个instance的任何东西,那么我干嘛要retian它?
我们要注意的一点是,我看到网上有很多人说block引起了实例与block之间的循环引用(retain-cycle),并且给出解决方案:不直接使用self而先将self赋值给一个临时变量,然后再使用这个临时变量。
但是,大家注意,我们一定要为这个临时变量增加__block标记(多谢第三篇文章回帖网友的提醒)。
这一章我们以结果导向的方式来说明了各种情况下,block的内存问题,下一章,我将剖析运行时库的源码,从根源阐述block的行为。也就是过程导向的方式了。
block介绍(三)揭开神秘面纱(上)
上一篇我们总结了各个情况下,block及其引用到的内存位置情况。
接下来几篇,我们将剖析编译器转码以及运行时库源码来一探block的究竟。
block到底是什么
我们使用clang的rewrite-objc命令来获取转码后的代码。
1、block的底层实现
我们来看看最简单的一个block:
这个block仅仅打印栈变量i和j的值,其被clang转码为:
首先是一个结构体__main_block_impl_0(从图二中的最后一行可以看到,block是一个指向__main_block_impl_0的指针,初始化后被类型强转为函数指针),其中包含的__block_impl是一个公共实现(学过c语言的同学都知道,__main_block_impl_0的这种写法表示其可以被类型强转为__block_impl类型):
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struct __block_impl { void *isa; int Flags; int Reserved; void *FuncPtr; }; |
isa指针说明block可以成为一个objc 对象。
__main_block_impl_0的意思是main函数中的第0个block的implementation,这就是这个block的主体了。
这个结构体的构造函数的参数:
- block实际执行代码所在的函数的指针,当block真正被执行时,实际上是调用了这个函数,其命名也是类似的方式。
- block的描述结构体,注意这个结构体声明结束时就创建了一个唯一的desc,这个desc包含了block的大小,以及复制和析构block时需要额外调用的函数。
- 接下来是block所引用到的变量们
- 最后是一个标记值,内部实现需要用到的。(我用计算器看了一下,570425344这个值等于1<<29,即BLOCK_HAS_DESCRIPTOR这个枚举值)
所以,我们可以看到:
- 为什么上一篇我们说j已经不是原来的j了,因为j是作为参数传入了block的构造函数,进行了值复制。
- 带有__block标记的变量会被取地址来传入构造函数,为修改其值奠定了基础
接下来是block执行函数__main_block_func_0:
其唯一的参数是__main_block_impl_0的指针,我们看到printf语句的数据来源都取自__cself这个指针,比较有意思的是i的取值方式(带有__block标记的变量i被转码为一个结构体),先取__forward指针,再取i,这为将i复制到堆中奠定了基础。
再下来是预定义好的两个复制/释放辅助函数,其作用后面会讲到。
最后是block的描述信息结构体 __main_block_desc_0,其包含block的内存占用长度,已经复制/释放辅助函数的指针,其声明结束时,就创建了一个名为__main_block_desc_0_DATA的结构体,我们看它构造时传入的值,这个DATA结构体的作用就一目了然了:
长度用sizeof计算,辅助函数的指针分别为上面预定义的两个辅助函数。
注意,如果这个block没有使用到需要在block复制时进行copy/retian的变量,那么desc中不会有辅助函数
至此,一个block所有的部件我们都看齐全了,一个主体,一个真正的执行代码函数,一个描述信息(可能包含两个辅助函数)。
2、构造一个block
我们进入main函数:
图一中的第三行(block的声明),在图二中,转化为一个函数指针的声明,并且都没有被赋予初始值。
而图一中的最后一行(创建一个block),在图二中,成为了对__main_block_impl_0的构造函数的调用,传入的参数的意义上面我们已经讲过了。
所以构造一个block就是创建了__main_block_impl_0 这个c++类的实例。
3、调用一个block
调用一个block的写法很简单,与调用c语言函数的语法一样:
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blk(); |
其转码后的语句:
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(( void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)blk)->FuncPtr)((__block_impl *)blk); |
将blk这个函数指针类型强转为__block_impl类型,然后取其执行函数指针,然后将此指针类型强转为返回void*并接收一个__block_impl*的函数指针,最后调用这个函数,传入强转为__block_impl*类型的blk,
即调用了前述的函数__main_block_func_0
4、objective-c类成员函数中的block
源码如下:
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- ( void )of1 { OBJ1* oj = self ; void (^oblk)( void ) = ^{ printf( "%d\n" , oj.oi);}; Block_copy(oblk); } |
这里我故意将self赋值给oj这个变量,是为了验证前一章提出的一个结论:无法通过简单的间接引用self来防止retain循环,要避免循环,我们需要__block标记(多谢楼下网友的提醒)
转码如下:
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struct __OBJ1__of1_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __OBJ1__of1_block_desc_0* Desc; OBJ1 *oj; __OBJ1__of1_block_impl_0( void *fp, struct __OBJ1__of1_block_desc_0 *desc, OBJ1 *_oj, int flags =0 ) : oj(_oj) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; } }; static void __OBJ1__of1_block_func_0( struct __OBJ1__of1_block_impl_0 *__cself) { OBJ1 *oj = __cself->oj; // bound by copy printf( "%d\n" , (( int (*)( id , SEL ))( void *)objc_msgSend)(( id )oj, sel_registerName( "oi" )));} |
objc方法中的block与c中的block并无太多差别,只是一些标记值可能不同,为了标记其是objc方法中的blcok。
注意其构造函数的参数:OBJ1 *_oj
这个_oj在block复制到heap时,会被retain,而_oj与self根本就是相等的,所以,最终retain的就是self,所以如果当前实例持有了这个block,retain循环就形成了。
而一旦为其增加了__block标记:
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- ( void )of1 { __block OBJ1 *bSelf = self ; ^{ printf( "%d" , bSelf.oi); }; } |
其转码则变为:
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//增加了如下行 struct __Block_byref_bSelf_0 { void *__isa; __Block_byref_bSelf_0 *__forwarding; int __flags; int __size; void (*__Block_byref_id_object_copy)( void *, void *); void (*__Block_byref_id_object_dispose)( void *); OBJ1 *bSelf; }; static void __Block_byref_id_object_copy_131( void *dst, void *src) { _Block_object_assign(( char *)dst + 40 , *( void * *) (( char *)src + 40 ), 131 ); } static void __Block_byref_id_object_dispose_131( void *src) { _Block_object_dispose(*( void * *) (( char *)src + 40 ), 131 ); } //声明处变为 __block __Block_byref_bSelf_0 bSelf = {( void * )0 ,(__Block_byref_bSelf_0 *)&bSelf, 33554432 , sizeof (__Block_byref_bSelf_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, self }; |
clang为我们的bSelf结构体创建了自己的copy/dispose辅助函数,33554432(即1<<25 BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE)这个值告诉系统,我们的bSelf结构体具有copy/dispose辅助函数。
而131这个参数(二进制1000 0011,即BLOCK_FIELD_IS_OBJECT (3) |BLOCK_BYREF_CALLER(128))
中的BLOCK_BYREF_CALLER在内部实现中告诉系统不要进行retain或者copy,
也就是说,在 __block bSelf 被复制至heap上时,系统会发现有辅助函数,而辅助函数调用后,并不retain或者copy 其结构体内的bSelf。
这样就避免了循环retain。
小结:
当我们创建一个block,并调用之,编译器为我们做的事情如下:
1.创建block所有的部件代码:一个主体,一个真正的执行代码函数,一个描述信息(可能包含两个辅助函数)。
2.将我们的创建代码转码为block_impl的构造语句。
3.将我们的执行语句转码为对block的执行函数的调用。
下一篇我们将剖析runtime.c的源码,并理解block的堆栈转换。
block介绍(四)揭开神秘面纱(下)
终于有空开始这系列最后一篇的编写。
这一篇,我们将看到block的内存管理的内部实现,通过剖析runtime库源码,我们可以更深刻的理解block的内存运作体系。
看此篇时,请大家同时打开两个网址(或者下载它们到本地然后打开):
http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/runtime.c
http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/Block_private.h
内存管理的真面目
objc层面如何区分不同内存区的block
Block_private.h中有这样一组值:
/* the raw data space for runtime classes for blocks */ /* class+meta used for stack, malloc, and collectable based blocks */ BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteStackBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteMallocBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteAutoBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteFinalizingBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteGlobalBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32];
其用于对block的isa指针赋值
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struct __OBJ1__of2_block_impl_0 { struct __block_impl impl; struct __OBJ1__of2_block_desc_0* Desc; OBJ1 * self ; __OBJ1__of2_block_impl_0( void *fp, struct __OBJ1__of2_block_desc_0 *desc, OBJ1 *_self, int flags =0 ) : self (_self) { impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; impl.Flags = flags; impl.FuncPtr = fp; Desc = desc; } }; |
在栈上创建的block,其isa指针是_NSConcreteStackBlock。
2.全局区
在全局区创建的block,其比较类似,其构造函数会将isa指针赋值为_NSConcreteGlobalBlock。
3.堆
我们无法直接创建堆上的block,堆上的block需要从stack block拷贝得来,在runtime.c中的_Block_copy_internal函数中,有这样几行:
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// Its a stack block. Make a copy. if (!isGC) { struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size); ... result->isa = _NSConcreteMallocBlock; ... return result; } |
可以看到,栈block复制得来的新block,其isa指针会被赋值为_NSConcreteMallocBlock
4.其余的isa类型
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteAutoBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteFinalizingBlock[32]; BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32];
其他三种类型是用于gc和arc,我们暂不讨论
复制block
对block调用Block_copy方法,或者向其发送objc copy消息,最终都会调用runtime.c中的_Block_copy_internal函数,其内部实现会检查block的flag,从而进行不同的操作:
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static void *_Block_copy_internal( const void *arg, const int flags) { ... aBlock = ( struct Block_layout *)arg; ... } |
1.栈block的复制
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// reset refcount result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK); // XXX not needed result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1 ; result->isa = _NSConcreteMallocBlock; if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) { //printf("calling block copy helper %p(%p, %p)...\n", aBlock->descriptor->copy, result, aBlock); (*aBlock->descriptor-> copy )(result, aBlock); // do fixup } |
除了修改isa指针的值之外,拷贝过程中,还会将BLOCK_NEEDS_FREE置入,大家记住这个值,后面会用到。
最后,如果block有辅助copy/dispose函数,那么辅助的copy函数会被调用。
2.全局block的复制
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else if (aBlock->flags & BLOCK_IS_GLOBAL) { return aBlock; } |
全局block进行copy是直接返回了原block,没有任何的其他操作。
3.堆block的复制
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if (aBlock->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) { // latches on high latching_incr_int(&aBlock->flags); return aBlock; } |
栈block复制时,置入的BLOCK_NEEDS_FREE标记此时起作用,_Block_copy_internal函数识别当前block是一个堆block,则仅仅增加引用计数,然后返回原block。
辅助copy/dispose函数
1.普通变量的复制
辅助copy函数用于拷贝block所引用的可修改变量,我们这里以 __block int i = 1024为例:
先看看Block_private.h中的定义:
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struct Block_byref { void *isa; struct Block_byref *forwarding; int flags; /* refcount; */ int size; void (*byref_keep)( struct Block_byref *dst, struct Block_byref *src); void (*byref_destroy)( struct Block_byref *); /* long shared[0]; */ }; |
而我们的__block int i = 1024的转码:
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struct __Block_byref_i_0 { void *__isa; __Block_byref_i_0 *__forwarding; int __flags; int __size; int i; }; //所以我们知道,当此结构体被类型强转为Block_byref时,前四个成员是一致的,访问flags就相当于访问__flags,而内部实现就是这样使用的 ... __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_i_0 i = {( void * )0 ,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0 , sizeof (__Block_byref_i_0), 1024 }; //i初始化时__flags为0 |
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static void __main_block_copy_0( struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign(( void *)&dst->i, ( void *)src->i, 8 /*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/ );} |
此时,复制时调用的辅助函数:
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void _Block_object_assign( void *destAddr, const void *object, const int flags) { //此处flags为8,即BLOCK_FIELD_IS_BYREF ... if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_BYREF) == BLOCK_FIELD_IS_BYREF) { // copying a __block reference from the stack Block to the heap // flags will indicate if it holds a __weak reference and needs a special isa _Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags); } ... } static void _Block_byref_assign_copy( void *dest, const void *arg, const int flags) { //此处flags为8,即BLOCK_FIELD_IS_BYREF struct Block_byref **destp = ( struct Block_byref **)dest; struct Block_byref *src = ( struct Block_byref *)arg; ... else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_REFCOUNT_MASK) == 0 ) { //当初次拷贝i时,flags为0,进入此分支会进行复制操作并改变flags值,置入BLOCK_NEEDS_FREE和初始的引用计数 ... } // already copied to heap else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) == BLOCK_NEEDS_FREE) { //当再次拷贝i时,则仅仅增加其引用计数 latching_incr_int(&src->forwarding->flags); } // assign byref data block pointer into new Block _Block_assign(src->forwarding, ( void **)destp); //这句仅仅是直接赋值,其函数实现只有一行赋值语句,查阅runtime.c可知 } |
所以,我们知道,当我们多次copy一个block时,其引用的__block变量只会被拷贝一次。
2.objc变量的复制
当objc变量没有__block修饰时:
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static void __OBJ1__of2_block_copy_0( struct __OBJ1__of2_block_impl_0*dst, struct __OBJ1__of2_block_impl_0*src) {_Block_object_assign(( void *)&dst-> self , ( void *)src-> self , 3 /*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/ );} |
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void _Block_object_assign( void *destAddr, const void *object, const int flags) { ... else if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) == BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) { //printf("retaining object at %p\n", object); _Block_retain_object(object); //当我们没有开启arc时,这个函数会retian此object //printf("done retaining object at %p\n", object); _Block_assign(( void *)object, destAddr); } .... } |
当objc变量有__block修饰时:
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struct __Block_byref_bSelf_0 { void *__isa; __Block_byref_bSelf_0 *__forwarding; int __flags; int __size; void (*__Block_byref_id_object_copy)( void *, void *); void (*__Block_byref_id_object_dispose)( void *); OBJ1 *bSelf; }; static void __Block_byref_id_object_copy_131( void *dst, void *src) { _Block_object_assign(( char *)dst + 40 , *( void * *) (( char *)src + 40 ), 131 ); //131即为BLOCK_FIELD_IS_OBJECT|BLOCK_BYREF_CALLER } static void __Block_byref_id_object_dispose_131( void *src) { _Block_object_dispose(*( void * *) (( char *)src + 40 ), 131 ); } ... //33554432即为BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE __block __Block_byref_bSelf_0 bSelf = {( void * )0 ,(__Block_byref_bSelf_0 *)&bSelf, 33554432 , sizeof (__Block_byref_bSelf_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, self }; |
BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE告诉内部实现,这个变量结构体具有自己的copy/dispose辅助函数,而此时我们的内部实现不会进行默认的复制操作:
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void _Block_object_assign( void *destAddr, const void *object, const int flags) { //printf("_Block_object_assign(*%p, %p, %x)\n", destAddr, object, flags); if ((flags & BLOCK_BYREF_CALLER) == BLOCK_BYREF_CALLER) { if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_WEAK) == BLOCK_FIELD_IS_WEAK) { _Block_assign_weak(object, destAddr); } else { // do *not* retain or *copy* __block variables whatever they are _Block_assign(( void *)object, destAddr); } } |
当我们没有开启arc,且flags中具有BLOCK_BYREF_CALLER时,会进入_Block_assign函数,而此函数仅仅是赋值
所以,如果要避免objc实例中的block引起的循环引用,我们需要让block间接使用self:
__block bSelf = self;
其他
对于dipose辅助函数,其行为与copy是类似的,我们不再重复同样的东西,如果大家要了解,自行查阅runtime.c和Block_private.h即可。
我们已经理解了非arc非gc情况下的block的内存管理内部实现,对arc和gc的情况,其行为也是类似的,只是一些函数的指针指向的真正函数会改变,比如_Block_use_GC函数,会将一些函数指向其他的实现,使其适用于gc开启的情况。
小结
block实际上是一些执行语句和语句需要的上下文的组合,而runtime给予的内部实现决定了它不会浪费一比特的内存。
我们知道cocoa中的容器类class有mutable和immutable之分,实际上我们可以将block看做一个immutable的容器,其盛放的是执行的代码和执行此代码需要的变量,而一个immutable变量的无法改变的特质,也决定了block在复制时,的确没有必要不断分配新的内存。故而其复制的行为会是增加引用计数。
最后,参考资料列表如下
http://thirdcog.eu/pwcblocks/#cblocks-memory
http://blog.csdn.net/jasonblog/article/details/7756763
http://clang.llvm.org/docs/Block-ABI-Apple.html
http://www.tanhao.me/pieces/310.html
http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/runtime.c
http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/Block_private.h