Objective-C中的Block

1.相關概念

在這篇筆記開始之前，我們需要對以下概念有所了解。

1.1 操作系統中的棧和堆

注：這裡所說的堆和棧與數據結構中的堆和棧不是一回事。

我們先來看看一個由C/C++/OBJC編譯的程序占用內存分布的結構： 

棧區（stack）：由系統自動分配，一般存放函數參數值、局部變量的值等。由編譯器自動創建與釋放。其操作方式類似於數據結構中的棧，即後進先出、先進後出的原則。

例如：在函數中申明一個局部變量int b;系統自動在棧中為b開辟空間。

堆區（heap）：一般由程序員申請並指明大小，最終也由程序員釋放。如果程序員不釋放，程序結束時可能會由OS回收。對於堆區的管理是采用鏈表式管理的，操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當接收到程序分配內存的申請時，操作系統就會遍歷該鏈表，遍歷到一個記錄的內存地址大於申請內存的鏈表節點，並將該節點從該鏈表中刪除，然後將該節點記錄的內存地址分配給程序。

例如：在C中malloc函數 

1 char p1; 
2 p1 = (char )malloc(10);

 

但是p1本身是在棧中的。

鏈表：是一種常見的基礎數據結構，一般分為單向鏈表、雙向鏈表、循環鏈表。以下為單向鏈表的結構圖：

單向鏈表是鏈表中最簡單的一種，它包含兩個區域，一個信息域和一個指針域。信息域保存或顯示關於節點的信息，指針域儲存下一個節點的地址。

上述的空閒內存地址鏈表的信息域保存的就是空閒內存的地址。

全局區/靜態區：顧名思義，全局變量和靜態變量存儲在這個區域。只不過初始化的全局變量和靜態變量存儲在一塊，未初始化的全局變量和靜態變量存儲在一塊。程序結束後由系統釋放。

文字常量區：這個區域主要存儲字符串常量。程序結束後由系統釋放。

程序代碼區：這個區域主要存放函數體的二進制代碼。

下面舉一個前輩寫的例子：

 

 1 //main.cpp
 2 int a = 0; // 全局初始化區
 3 char *p1; // 全局未初始化區
 4 main {
 5     int b; // 棧
 6     char s[] = "abc"; // 棧
 7     char *p2; // 棧
 8     char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量區，p3在棧上
 9     static int c =0； // 全局靜態初始化區
10     p1 = (char *)malloc(10);
11     p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來的10和20字節的區域就在堆區
12     strcpy(p1, "123456"); // 123456\0在常量區，這個函數的作用是將"123456" 這串字符串復制一份放在p1申請的10個字節的堆區域中。
13     // p3指向的"123456"與這裡的"123456"可能會被編譯器優化成一個地址。
14 }

 

strcpy函數

原型聲明：extern char *strcpy(char* dest, const char *src);

功能：把從src地址開始且含有NULL結束符的字符串復制到以dest開始的地址空間。

1.2 結構體（Struct）

在C語言中，結構體(struct)指的是一種數據結構。結構體可以被聲明為變量、指針或數組等，用以實現較復雜的數據結構。結構體同時也是一些元素的集合，這些元素稱為結構體的成員(member)，且這些成員可以為不同的類型，成員一般用名字訪問。

我們來看看結構體的定義：

struct tag { member-list } variable-list;

 

struct：結構體關鍵字。

tag：結構體標簽。

member-list：結構體成員列表。

variable-list：為結構體聲明的變量列表。

在一般情況下，tag，member-list，variable-list這三部分至少要出現兩個。以下為示例：

 

 1 // 該結構體擁有3個成員，整型的a，字符型的b，雙精度型的c
 2 // 並且為該結構體聲明了一個變量s1
 3 // 該結構體沒有標明其標簽
 4 struct{
 5     int a;
 6     char b;
 7     double c;
 8 } s1;
 9 // 該結構體擁有同樣的三個成員
10 // 並且該結構體標明了標簽EXAMPLE
11 // 該結構體沒有聲明變量
12 struct EXAMPLE{
13     int a;
14     char b;
15     double c;
16 };
17 //用EXAMPLE標簽的結構體，另外聲明了變量t1、t2、t3
18 struct EXAMPLE t1, t2[20], *t3;

 

 

以上就是簡單結構體的代碼示例。結構體的成員可以包含其他結構體，也可以包含指向自己結構體類型的指針。結構體的變量也可以是指針。

下面我們來看看結構體成員的訪問。結構體成員依據結構體變量類型的不同，一般有2種訪問方式，一種為直接訪問，一種為間接訪問。直接訪問應用於普通的結構體變量，間接訪問應用於指向結構體變量的指針。直接訪問使用結構體變量名.成員名，間接訪問使用(*結構體指針名).成員名或者使用結構體指針名->成員名。相同的成員名稱依靠不同的變量前綴區分。

 

 1 struct EXAMPLE{
 2     int a;
 3     char b;
 4 };
 5 //聲明結構體變量s1和指向結構體變量的指針s2
 6 struct EXAMPLE s1, *s2;
 7 //給變量s1和s2的成員賦值,注意s1.a和s2->a並不是同一成員
 8 s1.a = 5;
 9 s1.b = 6;
10 s2->a = 3;
11 s2->b = 4;

 

 

最後我們來看看結構體成員存儲。在內存中，編譯器按照成員列表順序分別為每個結構體成員分配內存。如果想確認結構體占多少存儲空間，則使用關鍵字sizeof，如果想得知結構體的某個特定成員在結構體的位置，則使用offsetof宏(定義於stddef.h)。

 

1 struct EXAMPLE{
2     int a;
3     char b;
4 };
5 //獲得EXAMPLE類型結構體所占內存大小
6 int size_example = sizeof( struct EXAMPLE );
7 //獲得成員b相對於EXAMPLE儲存地址的偏移量
8 int offset_b = offsetof( struct EXAMPLE, b );

 

 

1.3 閉包（Closure）

閉包就是一個函數，或者一個指向函數的指針，加上這個函數執行的非局部變量。

說的通俗一點，就是閉包允許一個函數訪問聲明該函數運行上下文中的變量，甚至可以訪問不同運行上文中的變量。

我們用腳本語言來看一下：

 

 1 function funA(callback){
 2     alert(callback());
 3 }
 4 function funB(){
 5     var str = "Hello World"; // 函數funB的局部變量，函數funA的非局部變量
 6     funA（
 7         function（）{
 8             return str;
 9         }
10     ）；
11 }

 

 

通過上面的代碼我們可以看出，按常規思維來說，變量str是函數funB的局部變量，作用域只在函數funB中，函數funA是無法訪問到str的。但是上述代碼示例中函數funA中的callback可以訪問到str，這是為什麼呢，因為閉包性。

2.blcok基礎知識

block實際上就是Objective-C語言對閉包的實現。

2.1 block的原型及定義

我們來看看block的原型：

NSString * ( ^ myBlock )( int );

 

上面的代碼聲明了一個block(^)原型，名字叫做myBlock，包含一個int型的參數，返回值為NSString類型的指針。

下面來看看block的定義：

1 myBlock = ^( int paramA )
2 {
3     return [ NSString stringWithFormat: @"Passed number: %i", paramA ];
4 };

 

上面的代碼中，將一個函數體賦值給了myBlock變量，其接收一個名為paramA的參數，返回一個NSString對象。

注意：一定不要忘記block後面的分號。

定義好block後，就可以像使用標准函數一樣使用它了：

myBlock(7);

 

由於block數據類型的語法會降低整個代碼的閱讀性，所以常使用typedef來定義block類型。例如，下面的代碼創建了GetPersonEducationInfo和GetPersonFamilyInfo兩個新類型，這樣我們就可以在下面的方法中使用更加有語義的數據類型。

 

1 // Person.h
2 #import // Define a new type for the block
3 typedef NSString * (^GetPersonEducationInfo)(NSString *);
4 typedef NSString * (^GetPersonFamilyInfo)(NSString *);
5 @interface Person : NSObject
6 - (NSString *)getPersonInfoWithEducation:(GetPersonEducationInfo)educationInfo
7     andFamily:(GetPersonFamilyInfo)familyInfo;
8 @end

 

 

我們用一張大師文章裡的圖來總結一下block的結構：

2.2 將block作為參數傳遞

 

1 // .h
2 -(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock;
3 // .m
4 -(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock
5 {
6     NSLog(@"Block returned: %@", myBlock(7) );
7 }

 

 

由於Objective-C是強制類型語言，所以作為函數參數的block也必須要指定返回值的類型，以及相關參數類型。

2.3 閉包性

上文說過，block實際是Objc對閉包的實現。

我們來看看下面代碼：

 

 1 #import void logBlock( int ( ^ theBlock )( void ) )
 2 {
 3     NSLog( @"Closure var X: %i", theBlock() );
 4 }
 5 int main( void )
 6 {
 7     NSAutoreleasePool * pool;
 8     int ( ^ myBlock )( void );
 9     int x;
10     pool = [ [ NSAutoreleasePool alloc ] init ];
11     x = 42;
12     myBlock = ^( void )
13     {
14         return x;
15     };
16     logBlock( myBlock );
17     [ pool release ];
18     return EXIT_SUCCESS;
19 }

 

 

上面的代碼在main函數中聲明了一個整型，並賦值42，另外還聲明了一個block，該block會將42返回。然後將block傳遞給logBlock函數，該函數會顯示出返回的值42。即使是在函數logBlock中執行block，而block又聲明在main函數中，但是block仍然可以訪問到x變量，並將這個值返回。

注意：block同樣可以訪問全局變量，即使是static。

2.4 block中變量的復制與修改

對於block外的變量引用，block默認是將其復制到其數據結構中來實現訪問的，如下圖：

通過block進行閉包的變量是const的。也就是說不能在block中直接修改這些變量。來看看當block試著增加x的值時，會發生什麼：

1 myBlock = ^( void )
2 {
3     x++;
4     return x;
5 };

 

編譯器會報錯，表明在block中變量x是只讀的。

有時候確實需要在block中處理變量，怎麼辦？別著急，我們可以用__block關鍵字來聲明變量，這樣就可以在block中修改變量了。

基於之前的代碼，給x變量添加__block關鍵字，如下：

__block int x;

 

對於用__block修飾的外部變量引用，block是復制其引用地址來實現訪問的，如下圖：

3.編譯器中的block

3.1 block的數據結構定義

我們通過大師文章中的一張圖來說明：

上圖這個結構是在棧中的結構，我們來看看對應的結構體定義：

 

 1 struct Block_descriptor {
 2     unsigned long int reserved;
 3     unsigned long int size;
 4     void (*copy)(void *dst, void *src);
 5     void (*dispose)(void *);
 6 };
 7 struct Block_layout {
 8     void *isa;
 9     int flags;
10     int reserved;
11     void (*invoke)(void *, ...);
12     struct Block_descriptor *descriptor;
13     /* Imported variables. */
14 };

 

 

從上面代碼看出，Block_layout就是對block結構體的定義：

isa指針：指向表明該block類型的類。

flags：按bit位表示一些block的附加信息，比如判斷block類型、判斷block引用計數、判斷block是否需要執行輔助函數等。

reserved：保留變量，我的理解是表示block內部的變量數。

invoke：函數指針，指向具體的block實現的函數調用地址。

descriptor：block的附加描述信息，比如保留變量數、block的大小、進行copy或dispose的輔助函數指針。

variables：因為block有閉包性，所以可以訪問block外部的局部變量。這些variables就是復制到結構體中的外部局部變量或變量的地址。

3.2 block的類型

block有幾種不同的類型，每種類型都有對應的類，上述中isa指針就是指向這個類。這裡列出常見的三種類型：

_NSConcreteGlobalBlock：全局的靜態block，不會訪問任何外部變量，不會涉及到任何拷貝，比如一個空的block。例如：

1 #include int main()
2 {
3     ^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
4     return 0;
5 }

 

_NSConcreteStackBlock：保存在棧中的block，當函數返回時被銷毀。例如：

1 #include int main()
2 {
3     char a = 'A';
4     ^{ printf("%c\n",a); } ();
5     return 0;
6 }

 

_NSConcreteMallocBlock：保存在堆中的block，當引用計數為0時被銷毀。該類型的block都是由_NSConcreteStackBlock類型的block從棧中復制到堆中形成的。例如下面代碼中，在exampleB_addBlockToArray方法中的block還是_NSConcreteStackBlock類型的，在exampleB方法中就被復制到了堆中，成為_NSConcreteMallocBlock類型的block：

 

 1 void exampleB_addBlockToArray(NSMutableArray *array) {
 2     char b = 'B';
 3     [array addObject:^{
 4             printf("%c\n", b);
 5     }];
 6 }
 7 void exampleB() {
 8     NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
 9     exampleB_addBlockToArray(array);
10     void (^block)() = [array objectAtIndex:0];
11     block();
12 }

 

 

總結一下：

_NSConcreteGlobalBlock類型的block要麼是空block，要麼是不訪問任何外部變量的block。它既不在棧中，也不在堆中，我理解為它可能在內存的全局區。

_NSConcreteStackBlock類型的block有閉包行為，也就是有訪問外部變量，並且該block只且只有有一次執行，因為棧中的空間是可重復使用的，所以當棧中的block執行一次之後就被清除出棧了，所以無法多次使用。

_NSConcreteMallocBlock類型的block有閉包行為，並且該block需要被多次執行。當需要多次執行時，就會把該block從棧中復制到堆中，供以多次執行。

3.3 編譯器如何編譯

我們通過一個簡單的示例來說明：

 

 1 #import typedef void(^BlockA)(void);
 2 __attribute__((noinline))
 3 void runBlockA(BlockA block) {
 4     block();
 5 }
 6 void doBlockA() {
 7     BlockA block = ^{
 8         // Empty block
 9     };
10     runBlockA(block);
11 }

 

上面的代碼定義了一個名為BlockA的block類型，該block在函數doBlockA中實現，並將其作為函數runBlockA的參數，最後在函數doBlockA中調用函數runBloackA。

注意：如果block的創建和調用都在一個函數裡面，那麼優化器(optimiser)可能會對代碼做優化處理，從而導致我們看不到編譯器中的一些操作，所以用__attribute__((noinline))給函數runBlockA添加noinline，這樣優化器就不會在doBlockA函數中對runBlockA的調用做內聯優化處理。

我們來看看編譯器做的工作內容：

 

 1 #import __attribute__((noinline))
 2 void runBlockA(struct Block_layout *block) {
 3     block->invoke();
 4 }
 5 void block_invoke(struct Block_layout *block) {
 6     // Empty block function
 7 }
 8 void doBlockA() {
 9     struct Block_descriptor descriptor;
10     descriptor->reserved = 0;
11     descriptor->size = 20;
12     descriptor->copy = NULL;
13     descriptor->dispose = NULL;
14     struct Block_layout block;
15     block->isa = _NSConcreteGlobalBlock;
16     block->flags = 1342177280;
17     block->reserved = 0;
18     block->invoke = block_invoke;
19     block->descriptor = descriptor;
20     runBlockA(&block);
21 }

 

上面的代碼結合block的數據結構定義，我們能很容易得理解編譯器內部對block的工作內容。

3.4 copy()和dispose()

上文中提到，如果我們想要在以後繼續使用某個block，就必須要對該block進行拷貝操作，即從棧空間復制到堆空間。所以拷貝操作就需要調用Block_copy()函數，block的descriptor中有一個copy()輔助函數，該函數在Block_copy()中執行，用於當block需要拷貝對象的時候，拷貝輔助函數會retain住已經拷貝的對象。

既然有有copy那麼就應該有release，與Block_copy()對應的函數是Block_release()，它的作用不言而喻，就是釋放我們不需要再使用的block，block的descriptor中有一個dispose()輔助函數，該函數在Block_release()中執行，負責做和copy()輔助函數相反的操作，例如釋放掉所有在block中拷貝的變量等。

4.總結

以上內容是我學習各大師的文章後對自己學習情況的一個記錄，其中有部分文字和代碼示例是來自大師的文章，還有一些自己的理解，如有錯誤還請大家勘誤。 

 

Objective-C中@property的所有屬性詳解 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-03/97744.htm

Objective-C 和 Core Foundation 對象相互轉換的內存管理總結 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-03/97626.htm

使用 Objective-C 一年後我對它的看法 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-12/94309.htm

10個Objective-C基礎面試題，iOS面試必備 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-07/87393.htm

Objective-C適用C數學函數 <math.h> http://www.linuxidc.com/Linux/2013-06/86215.htm

好學的 Objective-C 高清PDF http://www.linuxidc.com/Linux/2014-09/106226.htm