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详解ObjectiveC中Block如何捕获外部值

2024-04-02 19:55

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引言

Block 本质上也是一个 Objective-C 对象，它内部也有个 isa指针。Block 是封装了函数调用以及函数调用环境的 Objective-C 对象。Block 的底层结构如下图所示：

Block 对于不同类型的值会有不同的捕获方式，本文将通过代码展示其对于各种场景下的外部值是如何进行捕获的。

自动变量

首先展示源代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSInteger value = 0;
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"%zd", value);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

经过 clang -rewrite-objc 之后，得到的代码如下，可以看到，对于自动变量的捕获，是会在 Block 结构体中生成一个对应类型的成员变量来实现捕获的能力，这也解释了为什么在 Block 中修改捕获的值的内容，无法对 Block 外的值产生影响。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  NSInteger value; // 捕获的 NSInteger value
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, NSInteger _value, int flags=0) : value(_value) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger value = __cself->value; // bound by copy
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_zz_zyxvpxvq6csfxvn_n0000000000000_T_main_e3ca95_mi_0, value);
        }
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 argc, const char * argv[]) {
     { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        NSInteger value = 0;
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, value));
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

静态变量、静态全局变量与全局变量

对于静态变量、静态全局变量与全局变量的捕获，会稍有不同，其中：

全局变量与静态全局变量：直接使用，因为地址一直是可以直接获取的。
静态变量：捕获地址使用，因为 block 有可能会传递出创建时的作用域。

NSInteger globalValue = 1;
static NSInteger staticGlobalValue = 2;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        static NSInteger staticValue = 3;
        void(^block)(void) = ^{
            globalValue += 1;
            staticGlobalValue += 2;
            staticValue += 3;
        };
        block();
    }
    return 0;
}

NSInteger globalValue = 1;
static NSInteger staticGlobalValue = 2;
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  NSInteger *staticValue;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, NSInteger *_staticValue, int flags=0) : staticValue(_staticValue) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger *staticValue = __cself->staticValue; // bound by copy
            globalValue += 1;
            staticGlobalValue += 2;
            (*staticValue) += 3;
        }
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 argc, const char * argv[]) {
     { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        static NSInteger staticValue = 3;
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, &staticValue));
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

带 __block 的自动变量

被 __block 修饰的自动变量，可以在 Block 内部对其外部的值进行修改：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block NSInteger value = 0;
        void(^block)(void) = ^{
            value = 10;
        };
        block();
        NSLog(@"%zd", value);
    }
    return 0;
}

这次生成的代码复杂了一些，不过只关注 value 部分的话可以发现，Block 为了捕获 __block 类型的自动变量，会生成 __Block_byref_value_0 结构体，并通过该结构体来实现对外部 __block 自动变量的捕获。

struct __Block_byref_value_0 { // 为捕获 __block 的自动变量，生成的结构体。为的是方便多个 Block 同时捕获一个自动变量时使用。
  void *__isa; // isa 指针
__Block_byref_value_0 *__forwarding; // 在 Block 单纯在栈上是，指向的是自己，拷贝到堆上后，指向的是在堆上的 Block。之所以需要这样的指针是因为当 Block 拷贝到堆上时，调用方式是统一的。
 int __flags;
 int __size;
 NSInteger value; // 具体的值
};
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_value_0 *value; // 通过引用的方式捕获 value，其中变量类型为 __Block_byref_value_0
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_value_0 *_value, int flags=0) : value(_value->__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_value_0 *value = __cself->value; // bound by ref
            (value->__forwarding->value) = 10; // 赋值代码
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_assign((void*)&dst->value, (void*)class="lazy" data-src->value, 8);}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_dispose((void*)class="lazy" data-src->value, 8);}
static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {
     { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_value_0 value = {(void*)0,(__Block_byref_value_0 *)&value, 0, sizeof(__Block_byref_value_0), 0};
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_value_0 *)&value, 570425344));
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_zz_zyxvpxvq6csfxvn_n0000000000000_T_main_6bf1c6_mi_0, (value.__forwarding->value));
    }
    return 0;
}

__block 可以用于解决 block 内部无法修改 auto 变量值的问题，__block 不能修饰全局变量、静态变量（static），编译器会将 __block 变量包装成一个对象。

当 block 在栈上时，并不会对 __block 变量产生强引用。

当 block 被 copy 到堆时，会调用 block 内部的 copy 函数，copy 函数内部会调用 _Block_object_assign 函数，_Block_object_assign 函数会对 __block 变量形成强引用（retain）。

当 block 从堆中移除时，会调用 block 内部的 dispose 函数，dispose 函数内部会调用 _Block_object_dispose 函数，_Block_object_dispose 函数会自动释放引用的 __block 变量（release）。

捕获对象

在探究完对标量类型的捕获之后，让我们看一下对对象类型的捕获：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSArray *array = [NSArray array];
        void(^block)(void) = ^{
            NSLog(@"%@", array);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

通过转译的代码可以看出，因为对象类型本身已经是存储在堆上的值了，所以直接获取其地址即可，同时其新增了两个函数 __main_block_copy_0 和 __main_block_dispose_0，这两个函数是用来将对象拷贝到堆上和被从堆上移除时调用的，其内部又分别调用了 _Block_object_assign 和 _Block_object_dispose 用来对捕获的对象进行引用计数的增加和减少。

struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  NSArray *array;
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, NSArray *_array, int flags=0) : array(_array) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
  NSArray *array = __cself->array; // bound by copy
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_zz_zyxvpxvq6csfxvn_n0000000000000_T_main_8ba4f7_mi_0, array);
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_assign((void*)&dst->array, (void*)class="lazy" data-src->array, 3);}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_dispose((void*)class="lazy" data-src->array, 3);}
static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {
     { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        NSArray *array = ((NSArray * _Nonnull (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSArray"), sel_registerName("array"));
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, array, 570425344));
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

Block 对象本身分为三种类型：

NSGlobalBlock：没有访问 auto 变量，调用 copy 方法之后不会发生变化。
NSStackBlock：访问了 auto 变量，调用 copy 方法之后存储位置从栈变为堆。
NSMallocBlock：__NSStackBlock__ 调用了 copy 方法之后，引用计数增加。

在 ARC 环境下，编译器会根据情况自动将栈上的 block 复制到堆上，比如以下情况：

Block 作为函数返回值时
将 Block 赋值给 __strong 指针时
Block 作为 Cocoa API 中方法名含有 usingBlock 的方法参数时
Block 作为 GCD API 的方法参数时

所以，当 Block 内部访问了对象类型的 auto 变量时。如果 Block 是在栈上，将不会对 auto 变量产生强引用。

如果 Block 被拷贝到堆上，会调用 Block 内部的 copy 函数，copy 函数内部会调用 _Block_object_assign 函数，_Block_object_assign 函数会根据 auto 变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用或者弱引用。

如果 Block 从堆上移除，会调用 Block 内部的 dispose 函数，dispose 函数内部会调用 _Block_object_dispose 函数。_Block_object_dispose 函数会自动释放引用的 auto 变量（release）。

__block 对象类型的捕获

如果想在 Block 中，对捕获的对象的指针指向进行修改，则需要添加 __block 关键字：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block NSArray *array = [NSArray array];
        void(^block)(void) = ^{
            array = [NSArray array];
            NSLog(@"%@", array);
        };
        block();
    }
    return 0;
}

通过转译我们可以看出，跟 __block 修饰的标量类型相似，同样会生成 __Block_byref_array_0 结构体来捕获对象类型。同时其内部生成了 __Block_byref_id_object_copy 和 __Block_byref_id_object_dispose 两个函数指针，用于对被结构体包装的对象进行内存管理。

static void __Block_byref_id_object_copy_131(void *dst, void *class="lazy" data-src) {
 _Block_object_assign((char*)dst + 40, *(void * *) ((char*)class="lazy" data-src + 40), 131);
}
static void __Block_byref_id_object_dispose_131(void *class="lazy" data-src) {
 _Block_object_dispose(*(void * *) ((char*)class="lazy" data-src + 40), 131);
}
struct __Block_byref_array_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_array_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 NSArray *array;
};
struct __main_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __main_block_desc_0* Desc;
  __Block_byref_array_0 *array; // by ref
  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_array_0 *_array, int flags=0) : array(_array->__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_array_0 *array = __cself->array; // bound by ref
            (array->__forwarding->array) = ((NSArray * _Nonnull (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSArray"), sel_registerName("array"));
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_zz_zyxvpxvq6csfxvn_n0000000000000_T_main_3593f0_mi_0, (array->__forwarding->array));
        }
static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_assign((void*)&dst->array, (void*)class="lazy" data-src->array, 8);}
static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0*class="lazy" data-src) {_Block_object_dispose((void*)class="lazy" data-src->array, 8);}
static struct __main_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
  void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0), __main_block_copy_0, __main_block_dispose_0};
int main(int argc, const char * argv[]) {
     { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_array_0 array = {(void*)0,(__Block_byref_array_0 *)&array, 33554432, sizeof(__Block_byref_array_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, ((NSArray * _Nonnull (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSArray"), sel_registerName("array"))};
        void(*block)(void) = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_array_0 *)&array, 570425344));
        ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
    }
    return 0;
}

当 block 在栈上时，对它们都不会产生强引用。

当 block 拷贝到堆上时，都会通过 copy 函数来处理它们，__block 变量（假设变量名叫做 a）：

_Block_object_assign((void*)&dst->a, (void*)class="lazy" data-src->a, 8);

对象类型的 auto 变量（假设变量名叫做 p）:

_Block_object_assign((void*)&dst->p, (void*)class="lazy" data-src->p, 3);

当 block 从堆上移除时，都会通过 dispose 函数来释放它们，__block 变量（假设变量名叫做 a）：

_Block_object_dispose((void*)class="lazy" data-src->a, 8);

对象类型的 auto 变量（假设变量名叫做 p）:

_Block_object_dispose((void*)class="lazy" data-src->p, 3);

以上就是详解Objective C 中Block如何捕获外部值的详细内容，更多关于Objective C Block捕获外部值的资料请关注编程网其它相关文章！

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引言

自动变量

静态变量、静态全局变量与全局变量

带 __block 的自动变量

捕获对象

__block 对象类型的捕获

详解ObjectiveC中Block如何捕获外部值

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