第37条:理解“块”这一概念

　　第6章

　　block 与 GCD

　　当前在开发应用程序时，每位程序员都应该留意多线程问题。你可能会说自己要开发的应用程序用不到多线程，即便如此，它也很可能是多线程的，因为系统框架通常会在 UI 线程之外再使用一些线程来执行任务。开发应用程序时，最糟糕的事情莫过于程序因 UI 线程阻塞而挂起了。在 Mac OS X 系统中，这将使鼠标指针一直呈现令人焦急的旋转彩球状；而在 iOS 系统中，阻塞过久的程序可能会终止执行。

　　所幸苹果公司以全新方式设计了多线程。当前多线程编程的核心就是 “块”（block）与 GCD（Grand Central Dispatch, GCD）。这虽然是两种不同的技术，但它们是一并引入的。“块”是一种可在 C 、C++及 Objective-C 代码中使用的 “词法闭包”（lexical closure），它极为有用，这主要是因为借由此机制，开发者可将代码像对象一样传递，令其在不同环境（context）下运行。还有个关键的地方是，在定义“块”的范围内，它可以访问到其中的全部变量。

　　GCD 是一种与块有关的技术，它提供了对线程的抽象，而这种抽象则基于“派发队列”（dispatch queue）(亦称调度队列)。开发者可将块排入队列中，由 GCD 负责处理所有的调度事宜。GCD 会根据系统资源情况，适时地创建、复用、摧毁后台线程（background thread），以便处理每个队列。此外，使用 GCD 还可以方便地完成常见编程任务，比如编写 “只执行一次的线程安全代码”（thread-safe single-code execution），或者根据可用的系统资源来并发执行多个操作。

　　block 与 GCD 都是当前 Objective-C 编程的基石。因此，必须理解其工作原理及功能。

　　本条要点：（作者总结）

  • 块是C、C++、Objective-C 中的词法闭包。
  • 块可接受参数，也可返回值。
  • 块可以分配在栈或堆上，也可以是全局的。分配在栈上的块可拷贝到堆里，这样的话，就和标准的 Objective-C 对象一样，具备引用计数了。

　　块可以实现闭包。这项语言特性是作为“扩展”（extension）而加入 GCC 编译器中的，在近期版本的 Clang 中都可以使用 (Clang 是开发 Mac OS X 及iOS 程序所用的编译器)。10.4 版及其后的 Mac  OS X 系统，与 4.0 版及其后的iOS 系统中，都含有正常执行块所需的运行期组件。从技术上讲，这是个位于C 语言层面的特性，因此，只要有支持此特性的编译器，以及能执行块的运行期组件，就可以在 C、C++、Objective-C 、Objective-C++ 代码中使用它。

块的基础知识

　　块与函数类似，只不过是直接定义在另一个函数里的，和定义它的那个函数共享同一个范围内的东西。块用 “^” 符号（caret，可称为脱字符或插入符）来表示，后面跟着一对花括号，括号里面是块的实现代码，例如，下面就是个简单的块：

1 　　^{
2 
3 　　　　// Block implementation here
4 　　}

　　块其实就是个值，而且自有其相关类型。与 int、float 或 Objective-C 对象一样，也可以把块赋给变量，然后像使用其他变量那样使用它。块类型的语法与函数指针近似。下面列出的这个块很简单，没有参数，也不返回值:

1 　　void (^someBlock)() = ^{
2 
3 　　　　// Block implementation here
4 　　};

　　 这段代码定义了一个名为 someBlock 的变量。由于变量名写在正中间，所以看上去也许有点怪，不过一旦理解了语法，很容易就能读懂。块类型的语法结构如下:

1 return_type (^block_name) (parameters)

　　下面这种写法所定义的块，返回 int 值，并且接受两个 int 做参数：

1 　　int (^addBlock)(int a, int b) = ^(int a, int b){
2 
3 　　　　return a + b;
4 　　}

　　定义好之后，就可以像函数那样使用了。比方说，addBlock 块可以这样用:

　　int add = addBlock(2, 5); // < add = 7

　　块的强大之处是：在声明它的范围里。所有变量都可以为其所捕获。这也就是说，那个范围里的全部变量，在块里依然可用。比如，下面这段代码所定义的块，就使用了块以外的变量：

1 　　int additional = 5;
2 
3 　　int (^addBlock)(int a, int b) = ^(int a, int b){
4 
5 　　　　return a + b + addItional;
6 　　};
7 
8 　　int add = addBlock(2, 5); // < add = 12

　　默认情况下，为块所捕获的变量，是不可以在块里修改的。在本例中，假如块内的代码改动了 additional 变量的值，那么编译器就会报错。不过，声明变量的时候可以加上 __block 修饰符，这样就可以在块内修改了。例如，可以用下面这个块来枚举数组中的元素，以判断其中有多少个小于 2 的数：

 1 　　NSArray *array = @[@0, @1, @2, @3, @4, @5];
 2 
 3 　　__block NSInteger count = 0;
 4 
 5 　　[array enumerateObjectsUsingBlock:
 6 
 7 　　　　^(NSNumber *number, NSUInteger idx, BooL *stop) {
 8 
 9 　　　　　　if([number compare:@2] == NSOrderedAscending) {
10 　　　　　　　　count++;
11 　　　　　　}
12 　　}] ;
13 　　// count = 2

　　这段范例代码也演示了 “内联块”（inline Block）的用法。传给 “numerateObjectsUsingBlock:” 方法的块并未先赋给局部变量，而是直接内联在函数调用里了。由这种常见的编码习惯也可以看出块为何如此有用。在 Objective-C 语言引入块这一特性之前，想要编出与刚才那段代码相同的功能，就必须传入函数指针或选择子的名称，以供枚举方法调用。状态必须手工传入和传出，这一般通过 “不透明的 void 指针”（opaque void pointer）实现，如此一来，就得再写几行代码了，而且还会令方法变得有些松散。与之相反，若声明内联形式的块，则可把所有业务逻辑都放在一处。

　　如果块所捕获的变量是对象类型，那么就会自动保留它。系统在释放这个块的时候，也会将其一并释放。这就引出了一个与块有关的重要问题。块本身可视为对象。实际上，在其他 Objective-C 对象所能响应的选择子中，有很多块也可以响应的。而最重要之处则在于，块本身也和其他对象一样，有引用计数。当最后一个指向块的引用移走之后，块就回收了。回收时也会释放块所捕获的变量，以便平衡捕获时所执行的保留操作。

　　如果将块定义在 Objective-C 类的实例方法中，那么除了可以访问类的所有实例变量之外，还可以使用 self 变量。块总能修改实例变量，所以在声明时无须加 __block 。不过，如果通过读取或写入操作捕获了实例变量，那么也会自动把 self 变量一并捕获了，因为实例变量是与 self 所指代的实例关联在一起的。例如，下面这个块声明在 EOCClass 类的方法中：

 1 　　@interface EOCClass
 2 
 3 　　- (void)anInstanceMethod {
 4 
 5 　　　　// ...
 6 　　　　void (^someBlock)() = ^{
 7 　　　　　　_anInstanceVariable = @"Something";
 8 　　　　　　NSlog(@"_anInstanceVariable = %@", _anInstanceVariable);
 9 　　　　};
10 　　　　// ...
11 
12 　　} 
13 
14 　　@end

 　　如果某个 EOCClass 实例正在执行 anInstanceMethod 方法，那么 self 变量就指向此实例。由于块里没有明确使用 self 变量，所以很容易就会忘记 self 变量其实也为块所捕获了。直接访问实例变量和通过 self 来访问是等效的：

　　self->_anInstanceVariable = @" Something";

　　之所以要捕获 self 变量，原因正在于此。我们经常通过属性（参见第6条）访问实例变量，在这种情况下，就要指明 self 了：

1 　　self.aProperty = @" Something";

　　然而，一定要记住：self 也是个对象，因而块在捕获它时也会将其保留。如果 self 所指代的那个对象同时保留了块，那么这种情况通常就会导致 "保留环"。更多内容请参阅第 40 条。

块的内部结构

　　每个 Objective-C 对象都占据着某个内存区域。因为实例变量的个数及对象所包含的关联数据互不相同，所以每个对象所占的内存区域也有大有小。块本身也是对象，在存放块对象的内存区域中，首个变量是指向 Class 对象的指针，该指针叫做 isa(参见第14条)。其余内存里含有块对象正常运转所需要的各种信息。图详细描述了块对象的内存布局。

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　块对象的内存布局

　　在内存布局中，最重要的就是 invoke 变量，这是个函数指针，指向块的实现代码。函数原型至少要接受一个 void * 型的参数，此参数代表块。刚才说过，块其实就是一种代替函数指针的语法结构，原来是用函数指针时，需要用 “不透明的 void 指针” 来传递状态。而改用块之后，则可以把原来用标准 C 语言特性所编写的代码封装成简明且易用的接口。

　　descriptor 变量是指向结构体的指针，每个块里都包含此结构体，其中声明了块对象的总体大小，还声明了 copy 与 dispose 这两个辅助函数所对应的函数指针。辅助函数在拷贝及丢弃块对象时运行，其中会执行一些操作，比方说，前者要保留捕获的对象，而后者则将之释放。

　　块还会把它所捕获的所有变量都拷贝一份。这些拷贝放在 descriptor 变量后面，捕获了多少个变量，就要占据多少内存空间。请注意，拷贝的并不是对象本身，而是指向这些对象的指针变量。invoke 函数为何需要把块对象作为参数传进来呢？原因在于，执行块时，要从内存中把这些捕获到的变量读出来。

 全局块、栈块及堆块

 　　定义块的时候，其所占的内存区域是分配在栈中的。这就是说，块只在定义它的那个范围内有效。例如，下面这段代码就有危险：

 1 　　void (^block)();
 2 
 3 　　if (/*some condition*/) {
 4 
 5 　　　　block = ^{
 6 　　　　　　　　NSLog(@"Block A");
 7 　　　　};
 8 　　} else {
 9 
10 　　　　block = ^{
11 　　　　　　NSLog(@"Block B");
12 　　　　};
13 　　}
14 
15 　　block();

　　定义在 if 及 else 语句中的两个块都分配在栈内存中。编译器会给每个块分配好栈内存，然而等离开了相应的范围之后，编译器有可能把分配给块的内存覆写掉。于是，这两个块只能保证在对应的 if 或  else 语句范围内有效。这样写出来的代码可以编译，但是运行起来时而正确，时而错误。若编译器未覆写待执行的块，则程序照常运行。若覆写，则程序崩溃。

　　为解决此问题，可给块对象发送 copy 消息以拷贝之。这样的话，就可以把块从栈复制到堆了。拷贝后的块，可以在定义它的那个范围之外使用。而且，一旦复制到堆上，块就成了带引用计数的对象了。后续的复制操作都不会真的执行复制，只是递增块对象的引用计数。如果不再使用这个块，那就应将其释放，在 ARC 环境下会自动释放，而手动管理引用计数时则需要自己来调用 release 方法。当引用计数降为 0 后，“分配在堆上的块”（heap block）会像其他对象一样，为系统所回收。而“分配在栈上的块”（stack block）则无须明确释放，因为栈内存本来就会自动回收，刚才那个范例代码之所以有危险，原因也在于此。

　　明白这一点后，我们只需给代码加上两个copy 方法调用，就可令其变得安全了：

 1 　　void (^block)();
 2 
 3 　　if (/* some condition*/) {
 4 
 5 　　　　block = [^{
 6 　　　　　　　　NSLog(@"Block A");
 7 　　　　　　} copy];
 8 　　} else {
 9 
10 　　　　blok = [^{
11 
12 　　　　　　　　NSLog(@"Boock B");
13 　　　　　　} copy];
14 　　}
15 
16 　　block();

　　现在代码安全了。如果手动管理引用计数，那么在用完块之后还需要将其释放。

　　除了 “栈块” 和 “堆块” 之外，还有一类块叫做 “全局块”（global block）。这种块不会捕捉任何状态（比如外围的变量等），运行时也无须有状态来参与。块所使用的整个内存区域，在编译期已经完全确定了，因此，全局块可以声明在全局内存里，而不需要在每次用到的时候于栈中创建。另外，全局块的拷贝操作是个空操作，因为全局块决不可能为系统所回收。这种块实际上相当于单例。下面是个全局块：

1 　　void (^block)() = ^{
2 
3 　　　　NSLog(@"This is a block");
4 　　}

　　由于运行该块所需的全部信息都能在编译期确定，所以可把它做成全局块。这完全是种优化技术：若把如此简单的块当成复杂的块来处理，那就会在复制及丢弃该块时执行一些无谓的操作。

END

posted @ 2017-08-15 06:42  鳄鱼不怕牙医不怕  阅读(446)  评论(0)  编辑  收藏  举报