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谈Objective-C Block的实现（转载唐巧） 唐巧的技术博客 谈Objective-C Block的实现

分类: IT文章 • 2022-06-10 00:28:13

谈Objective-C Block的实现

JUL 28TH, 2013

前言

这里有关于block的5道测试题，建议你阅读本文之前先做一下测试。

先介绍一下什么是闭包。在wikipedia上，闭包的定义)是:

In programming languages, a closure is a function or reference to a function together with a referencing environment—a table storing a reference to each of the non-local variables (also called free variables or upvalues) of that function.

翻译过来，闭包是一个函数（或指向函数的指针），再加上该函数执行的外部的上下文变量（有时候也称作自由变量）。

block实际上就是Objective-C语言对于闭包的实现。 block配合上dispatch_queue，可以方便地实现简单的多线程编程和异步编程，关于这个，我之前写过一篇文章介绍：《使用GCD》。

本文主要介绍Objective-C语言的block在编译器中的实现方式。主要包括：

  1. block的内部实现数据结构介绍
  2. block的三种类型及其相关的内存管理方式
  3. block如何通过capture变量来达到访问函数外的变量

实现方式

数据结构定义

block的数据结构定义如下（图片来自这里)：

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对应的结构体定义如下：

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struct Block_descriptor {
    unsigned long int reserved;
    unsigned long int size;
    void (*copy)(void *dst, void *src);
    void (*dispose)(void *);
};

struct Block_layout {
    void *isa;
    int flags;
    int reserved;
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor *descriptor;
    /* Imported variables. */
};

通过该图，我们可以知道，一个block实例实际上由6部分构成：

  1. isa指针，所有对象都有该指针，用于实现对象相关的功能。
  2. flags，用于按bit位表示一些block的附加信息，本文后面介绍block copy的实现代码可以看到对该变量的使用。
  3. reserved，保留变量。
  4. invoke，函数指针，指向具体的block实现的函数调用地址。
  5. descriptor， 表示该block的附加描述信息，主要是size大小，以及copy和dispose函数的指针。
  6. variables，capture过来的变量，block能够访问它外部的局部变量，就是因为将这些变量（或变量的地址）复制到了结构体中。

该数据结构和后面的clang分析出来的结构实际是一样的，不过仅是结构体的嵌套方式不一样。但这一点我一开始没有想明白，所以也给大家解释一下，如下2个结构体SampleA和SampleB在内存上是完全一样的，原因是结构体本身并不带有任何额外的附加信息。

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struct SampleA {
    int a;
    int b;
    int c;
};

struct SampleB {
    int a;
    struct Part1 {
        int b;
    };
    struct Part2 {
        int c;
    };
};

在Objective-C语言中，一共有3种类型的block：

  1. _NSConcreteGlobalBlock 全局的静态block，不会访问任何外部变量（block里面没有局部变量的时候）。
  2. _NSConcreteStackBlock 保存在栈中的block，当函数返回时会被销毁。
  3. _NSConcreteMallocBlock 保存在堆中的block，当引用计数为0时会被销毁。

我们在下面会分别来查看它们各自的实现方式上的差别。

研究工具：clang

为了研究编译器是如何实现block的，我们需要使用clang。clang提供一个命令，可以将Objetive-C的源码改写成c语言的，借此可以研究block具体的源码实现方式。该命令是

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clang -rewrite-objc block.c

NSConcreteGlobalBlock 类型的block的实现

我们先新建一个名为block1.c的源文件：

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#include <stdio.h>

int main()
{
    ^{ printf("Hello, World!
"); } ();
    return 0;
}

然后在命令行中输入clang -rewrite-objc block1.c即可在目录中看到clang输出了一个名为block1.cpp的文件。该文件就是block在c语言实现，我将block1.cpp中一些无关的代码去掉，将关键代码引用如下：

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struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int flags=0) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    printf("Hello, World!
");
}

static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0) };

int main()
{
    (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA) ();
    return 0;
}

下面我们就具体看一下是如何实现的。__main_block_impl_0就是该block的实现，从中我们可以看出：

  1. 一个block实际是一个对象，它主要由一个 isa 和 一个 impl 和 一个descriptor组成。
  2. 在本例中，isa指向 _NSConcreteGlobalBlock， 主要是为了实现对象的所有特性，在此我们就不展开讨论了。
  3. 由于clang改写的具体实现方式和LLVM不太一样，并且这里没有开启ARC。所以这里我们看到isa指向的还是_NSConcreteStackBlock。但在LLVM的实现中，开启ARC时，block应该是_NSConcreteGlobalBlock类型，具体可以看《objective-c-blocks-quiz》第二题的解释。
  4. impl是实际的函数指针，本例中，它指向__main_block_func_0。这里的impl相当于之前提到的invoke变量，只是clang编译器对变量的命名不一样而已。
  5. descriptor是用于描述当前这个block的附加信息的，包括结构体的大小，需要capture和dispose的变量列表等。结构体大小需要保存是因为，每个block因为会capture一些变量，这些变量会加到__main_block_impl_0这个结构体中，使其体积变大。在该例子中我们还看不到相关capture的代码，后面将会看到。

NSConcreteStackBlock 类型的block的实现

我们另外新建一个名为block2.c的文件，输入以下内容：

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#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 100;
    void (^block2)(void) = ^{
        printf("%d
", a);
    };
    block2();

    return 0;
}

用之前提到的clang工具，转换后的关键代码如下：

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struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    int a;
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _a, int flags=0) : a(_a) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    int a = __cself->a; // bound by copy
    printf("%d
", a);
}

static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};

int main()
{
    int a = 100;
    void (*block2)(void) = (void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, a);
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block2)->FuncPtr)((__block_impl *)block2);

    return 0;
}

在本例中，我们可以看到：

  1. 本例中，isa指向_NSConcreteStackBlock，说明这是一个分配在栈上的实例。
  2. main_block_impl_0 中增加了一个变量a，在block中引用的变量a实际是在申明block时，被复制到main_block_impl_0结构体中的那个变量a。因为这样，我们就能理解，在block内部修改变量a的内容，不会影响外部的实际变量a。
  3. main_block_impl_0 中由于增加了一个变量a，所以结构体的大小变大了，该结构体大小被写在了main_block_desc_0中。

我们修改上面的源码，在变量前面增加__block关键字：

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#include <stdio.h>

int main()
{
    __block int i = 1024;
    void (^block1)(void) = ^{
        printf("%d
", i);
        i = 1023;
    };
    block1();
    return 0;
}

生成的关键代码如下，可以看到，差异相当大：

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struct __Block_byref_i_0 {
    void *__isa;
    __Block_byref_i_0 *__forwarding;
    int __flags;
    int __size;
    int i;
};

struct __main_block_impl_0 {
    struct __block_impl impl;
    struct __main_block_desc_0* Desc;
    __Block_byref_i_0 *i; // by ref
    __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_i_0 *_i, int flags=0) : i(_i->__forwarding) {
        impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
        impl.Flags = flags;
        impl.FuncPtr = fp;
        Desc = desc;
    }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
    __Block_byref_i_0 *i = __cself->i; // bound by ref

    printf("%d
", (i->__forwarding->i));
    (i->__forwarding->i) = 1023;
}

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*/);}

static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_dispose((void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

static struct __main_block_desc_0 {
    size_t reserved;
    size_t Block_size;
    void

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