全面解析Objective-C中的block代碼塊的使用
1.相關(guān)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(tǒng)中的棧和堆
注：這里所說的堆和棧與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)存分布的結(jié)構(gòu)：
棧區(qū)（stack）：由系統(tǒng)自動分配，一般存放函數(shù)參數(shù)值、局部變量的值等。由編譯器自動創(chuàng)建與釋放。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧，即后進(jìn)先出、先進(jìn)后出的原則。
例如：在函數(shù)中申明一個局部變量int b;系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間。
堆區(qū)（heap）：一般由程序員申請并指明大小，最終也由程序員釋放。如果程序員不釋放，程序結(jié)束時可能會由OS回收。對于堆區(qū)的管理是采用鏈表式管理的，操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)接收到程序分配內(nèi)存的申請時，操作系統(tǒng)就會遍歷該鏈表，遍歷到一個記錄的內(nèi)存地址大于申請內(nèi)存的鏈表節(jié)點，并將該節(jié)點從該鏈表中刪除，然后將該節(jié)點記錄的內(nèi)存地址分配給程序。
例如：在C中malloc函數(shù)
char p1;
p1 = (char )malloc(10);
但是p1本身是在棧中的。
鏈表：是一種常見的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般分為單向鏈表、雙向鏈表、循環(huán)鏈表。以下為單向鏈表的結(jié)構(gòu)圖：
單向鏈表是鏈表中最簡單的一種，它包含兩個區(qū)域，一個信息域和一個指針域。信息域保存或顯示關(guān)于節(jié)點的信息，指針域儲存下一個節(jié)點的地址。
上述的空閑內(nèi)存地址鏈表的信息域保存的就是空閑內(nèi)存的地址。
全局區(qū)/靜態(tài)區(qū)：顧名思義，全局變量和靜態(tài)變量存儲在這個區(qū)域。只不過初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲在一塊，未初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲在一塊。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
文字常量區(qū)：這個區(qū)域主要存儲字符串常量。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
程序代碼區(qū)：這個區(qū)域主要存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。
下面舉一個前輩寫的例子：
//main.cpp
int a = 0; // 全局初始化區(qū)
char *p1; // 全局未初始化區(qū)
main {
int b; // 棧
char s[] = "abc"; // 棧
char *p2; // 棧
char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量區(qū)，p3在棧上
static int c =0； // 全局靜態(tài)初始化區(qū)
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來的10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)
strcpy(p1, "123456"); // 123456\0在常量區(qū)，這個函數(shù)的作用是將"123456" 這串字符串復(fù)制一份放在p1申請的10個字節(jié)的堆區(qū)域中。
// p3指向的"123456"與這里的"123456"可能會被編譯器優(yōu)化成一個地址。
}
strcpy函數(shù)
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(jié)束符的字符串復(fù)制到以dest開始的地址空間。
1.2 結(jié)構(gòu)體（Struct）
在C語言中，結(jié)構(gòu)體(struct)指的是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體可以被聲明為變量、指針或數(shù)組等，用以實現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體同時也是一些元素的集合，這些元素稱為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體的定義：
struct tag { member-list } variable-list;
- struct：結(jié)構(gòu)體關(guān)鍵字。
- tag：結(jié)構(gòu)體標(biāo)簽。
- member-list：結(jié)構(gòu)體成員列表。
- variable-list：為結(jié)構(gòu)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(xiàn)兩個。以下為示例：
// 該結(jié)構(gòu)體擁有3個成員，整型的a，字符型的b，雙精度型的c
// 并且為該結(jié)構(gòu)體聲明了一個變量s1
// 該結(jié)構(gòu)體沒有標(biāo)明其標(biāo)簽
struct{
int a;
char b;
double c;
} s1;
// 該結(jié)構(gòu)體擁有同樣的三個成員
// 并且該結(jié)構(gòu)體標(biāo)明了標(biāo)簽EXAMPLE
// 該結(jié)構(gòu)體沒有聲明變量
struct EXAMPLE{
int a;
char b;
double c;
};
//用EXAMPLE標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)體，另外聲明了變量t1、t2、t3
struct EXAMPLE t1, t2[20], *t3;
以上就是簡單結(jié)構(gòu)體的代碼示例。結(jié)構(gòu)體的成員可以包含其他結(jié)構(gòu)體，也可以包含指向自己結(jié)構(gòu)體類型的指針。結(jié)構(gòu)體的變量也可以是指針。
下面我們來看看結(jié)構(gòu)體成員的訪問。結(jié)構(gòu)體成員依據(jù)結(jié)構(gòu)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(yīng)用于普通的結(jié)構(gòu)體變量，間接訪問應(yīng)用于指向結(jié)構(gòu)體變量的指針。直接訪問使用結(jié)構(gòu)體變量名.成員名，間接訪問使用(*結(jié)構(gòu)體指針名).成員名或者使用結(jié)構(gòu)體指針名->成員名。相同的成員名稱依靠不同的變量前綴區(qū)分。
struct EXAMPLE{
int a;
char b;
};
//聲明結(jié)構(gòu)體變量s1和指向結(jié)構(gòu)體變量的指針s2
struct EXAMPLE s1, *s2;
//給變量s1和s2的成員賦值,注意s1.a和s2->a并不是同一成員
s1.a = 5;
s1.b = 6;
s2->a = 3;
s2->b = 4;
最后我們來看看結(jié)構(gòu)體成員存儲。在內(nèi)存中，編譯器按照成員列表順序分別為每個結(jié)構(gòu)體成員分配內(nèi)存。如果想確認(rèn)結(jié)構(gòu)體占多少存儲空間，則使用關(guān)鍵字sizeof，如果想得知結(jié)構(gòu)體的某個特定成員在結(jié)構(gòu)體的位置，則使用offsetof宏(定義于stddef.h)。
struct EXAMPLE{
int a;
char b;
};
//獲得EXAMPLE類型結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小
int size_example = sizeof( struct EXAMPLE );
//獲得成員b相對于EXAMPLE儲存地址的偏移量
int offset_b = offsetof( struct EXAMPLE, b );
1.3 閉包（Closure）
閉包就是一個函數(shù)，或者一個指向函數(shù)的指針，加上這個函數(shù)執(zhí)行的非局部變量。
說的通俗一點，就是閉包允許一個函數(shù)訪問聲明該函數(shù)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：
function funA(callback){
alert(callback());
}
function funB(){
var str = "Hello World"; // 函數(shù)funB的局部變量，函數(shù)funA的非局部變量
funA（
function（）{
return str;
}
）；
}
通過上面的代碼我們可以看出，按常規(guī)思維來說，變量str是函數(shù)funB的局部變量，作用域只在函數(shù)funB中，函數(shù)funA是無法訪問到str的。但是上述代碼示例中函數(shù)funA中的callback可以訪問到str，這是為什么呢，因為閉包性。
2.blcok基礎(chǔ)知識
block實際上就是Objective-C語言對閉包的實現(xiàn)。
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(shù)，返回值為NSString類型的指針。
下面來看看block的定義：
myBlock = ^( int paramA )
{
return [ NSString stringWithFormat: @"Passed number: %i", paramA ];
};
上面的代碼中，將一個函數(shù)體賦值給了myBlock變量，其接收一個名為paramA的參數(shù)，返回一個NSString對象。
注意：一定不要忘記block后面的分號。
定義好block后，就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)一樣使用它了：
myBlock(7);
由于block數(shù)據(jù)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(chuàng)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(shù)據(jù)類型。
// Person.h
#import // Define a new type for the block
typedef NSString * (^GetPersonEducationInfo)(NSString *);
typedef NSString * (^GetPersonFamilyInfo)(NSString *);
@interface Person : NSObject
- (NSString *)getPersonInfoWithEducation:(GetPersonEducationInfo)educationInfo
andFamily:(GetPersonFamilyInfo)familyInfo;
@end
我們用一張大師文章里的圖來總結(jié)一下block的結(jié)構(gòu)：
2.2 將block作為參數(shù)傳遞
// .h
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock;
// .m
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock
{
NSLog(@"Block returned: %@", myBlock(7) );
}
由于Objective-C是強(qiáng)制類型語言，所以作為函數(shù)參數(shù)的block也必須要指定返回值的類型，以及相關(guān)參數(shù)類型。
2.3 閉包性
上文說過，block實際是Objc對閉包的實現(xiàn)。
我們來看看下面代碼：
#import void logBlock( int ( ^ theBlock )( void ) )
{
NSLog( @"Closure var X: %i", theBlock() );
}
int main( void )
{
NSAutoreleasePool * pool;
int ( ^ myBlock )( void );
int x;
pool = [ [ NSAutoreleasePool alloc ] init ];
x = 42;
myBlock = ^( void )
{
return x;
};
logBlock( myBlock );
[ pool release ];
return EXIT_SUCCESS;
}
上面的代碼在main函數(shù)中聲明了一個整型，并賦值42，另外還聲明了一個block，該block會將42返回。然后將block傳遞給logBlock函數(shù)，該函數(shù)會顯示出返回的值42。即使是在函數(shù)logBlock中執(zhí)行block，而block又聲明在main函數(shù)中，但是block仍然可以訪問到x變量，并將這個值返回。
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(fù)制與修改
對于block外的變量引用，block默認(rèn)是將其復(fù)制到其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)訪問的，如下圖：
通過block進(jìn)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(dāng)block試著增加x的值時，會發(fā)生什么：
myBlock = ^( void )
{
x++;
return x;
};
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，怎么辦？別著急，我們可以用__block關(guān)鍵字來聲明變量，這樣就可以在block中修改變量了。
基于之前的代碼，給x變量添加__block關(guān)鍵字，如下：
__block int x;
對于用__block修飾的外部變量引用，block是復(fù)制其引用地址來實現(xiàn)訪問的，如下圖：
3.編譯器中的block
3.1 block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
我們通過大師文章中的一張圖來說明：
上圖這個結(jié)構(gòu)是在棧中的結(jié)構(gòu)，我們來看看對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義：
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. */
};
從上面代碼看出，Block_layout就是對block結(jié)構(gòu)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(shù)、判斷block是否需要執(zhí)行輔助函數(shù)等。
reserved：保留變量，我的理解是表示block內(nèi)部的變量數(shù)。
invoke：函數(shù)指針，指向具體的block實現(xiàn)的函數(shù)調(diào)用地址。
descriptor：block的附加描述信息，比如保留變量數(shù)、block的大小、進(jìn)行copy或dispose的輔助函數(shù)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(fù)制到結(jié)構(gòu)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(yīng)的類，上述中isa指針就是指向這個類。這里列出常見的三種類型：
_NSConcreteGlobalBlock：全局的靜態(tài)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：
#include int main()
{
^{ printf("Hello, World!\n"); } ();
return 0;
}
_NSConcreteStackBlock：保存在棧中的block，當(dāng)函數(shù)返回時被銷毀。例如：
#include int main()
{
char a = 'A';
^{ printf("%c\n",a); } ();
return 0;
}
_NSConcreteMallocBlock：保存在堆中的block，當(dāng)引用計數(shù)為0時被銷毀。該類型的block都是由_NSConcreteStackBlock類型的block從棧中復(fù)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(fù)制到了堆中，成為_NSConcreteMallocBlock類型的block：
void exampleB_addBlockToArray(NSMutableArray *array) {
char b = 'B';
[array addObject:^{
printf("%c\n", b);
}];
}
void exampleB() {
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
exampleB_addBlockToArray(array);
void (^block)() = [array objectAtIndex:0];
block();
}
總結(jié)一下：
- _NSConcreteGlobalBlock類型的block要么是空block，要么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(nèi)存的全局區(qū)。
- _NSConcreteStackBlock類型的block有閉包行為，也就是有訪問外部變量，并且該block只且只有有一次執(zhí)行，因為棧中的空間是可重復(fù)使用的，所以當(dāng)棧中的block執(zhí)行一次之后就被清除出棧了，所以無法多次使用。
- _NSConcreteMallocBlock類型的block有閉包行為，并且該block需要被多次執(zhí)行。當(dāng)需要多次執(zhí)行時，就會把該block從棧中復(fù)制到堆中，供以多次執(zhí)行。
3.3 編譯器如何編譯
我們通過一個簡單的示例來說明：
#import typedef void(^BlockA)(void);
__attribute__((noinline))
void runBlockA(BlockA block) {
block();
}
void doBlockA() {
BlockA block = ^{
// Empty block
};
runBlockA(block);
}
上面的代碼定義了一個名為BlockA的block類型，該block在函數(shù)doBlockA中實現(xiàn)，并將其作為函數(shù)runBlockA的參數(shù)，最后在函數(shù)doBlockA中調(diào)用函數(shù)runBloackA。
注意：如果block的創(chuàng)建和調(diào)用都在一個函數(shù)里面，那么優(yōu)化器(optimiser)可能會對代碼做優(yōu)化處理，從而導(dǎo)致我們看不到編譯器中的一些操作，所以用__attribute__((noinline))給函數(shù)runBlockA添加noinline，這樣優(yōu)化器就不會在doBlockA函數(shù)中對runBlockA的調(diào)用做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化處理。
我們來看看編譯器做的工作內(nèi)容：
#import __attribute__((noinline))
void runBlockA(struct Block_layout *block) {
block->invoke();
}
void block_invoke(struct Block_layout *block) {
// Empty block function
}
void doBlockA() {
struct Block_descriptor descriptor;
descriptor->reserved = 0;
descriptor->size = 20;
descriptor->copy = NULL;
descriptor->dispose = NULL;
struct Block_layout block;
block->isa = _NSConcreteGlobalBlock;
block->flags = 1342177280;
block->reserved = 0;
block->invoke = block_invoke;
block->descriptor = descriptor;
runBlockA(&block);
}
上面的代碼結(jié)合block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，我們能很容易得理解編譯器內(nèi)部對block的工作內(nèi)容。
3.4 copy()和dispose()
上文中提到，如果我們想要在以后繼續(xù)使用某個block，就必須要對該block進(jìn)行拷貝操作，即從?？臻g復(fù)制到堆空間。所以拷貝操作就需要調(diào)用Block_copy()函數(shù)，block的descriptor中有一個copy()輔助函數(shù)，該函數(shù)在Block_copy()中執(zhí)行，用于當(dāng)block需要拷貝對象的時候，拷貝輔助函數(shù)會retain住已經(jīng)拷貝的對象。
既然有有copy那么就應(yīng)該有release，與Block_copy()對應(yīng)的函數(shù)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(shù)，該函數(shù)在Block_release()中執(zhí)行，負(fù)責(zé)做和copy()輔助函數(shù)相反的操作，例如釋放掉所有在block中拷貝的變量等。
4.下面來看幾個具體的運行示例：
4.1參數(shù)是NSString*的代碼塊
void (^printBlock)(NSString *x);
printBlock = ^(NSString* str)
{
NSLog(@"print:%@", str);
};
printBlock(@"hello world!");
運行結(jié)果是：print:hello world!
4.2代碼用在字符串?dāng)?shù)組排序
NSArray *stringArray = [NSArray arrayWithObjects:@"abc 1", @"abc 21", @"abc 12",@"abc 13",@"abc 05",nil];
NSComparator sortBlock = ^(id string1, id string2)
{
return [string1 compare:string2];
};
NSArray *sortArray = [stringArray sortedArrayUsingComparator:sortBlock];
NSLog(@"sortArray:%@", sortArray);
運行結(jié)果：
sortArray:( "abc 05", "abc 1", "abc 12", "abc 13", "abc 21" )
4.3代碼塊的遞歸調(diào)用
代碼塊想要遞歸調(diào)用，代碼塊變量必須是全局變量或者是靜態(tài)變量，這樣在程序啟動的時候代碼塊變量就初始化了，可以遞歸調(diào)用
static void (^ const blocks)(int) = ^(int i)
{
if (i > 0) {
NSLog(@"num:%d", i);
blocks(i - 1);
}
};
blocks(3);
運行打印結(jié)果：
num:3 num:2 num:1
4.4在代碼塊中使用局部變量和全局變量
在代碼塊中可以使用和改變?nèi)肿兞?br />
int global = 1000;
int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool {
void(^block)(void) = ^(void)
{
global++;
NSLog(@"global:%d", global);
};
block();
NSLog(@"global:%d", global);
}
return 0;
}
運行打印結(jié)果：
global:1001 global:1001
而局部變量可以使用，但是不能改變。
int local = 500;
void(^block)(void) = ^(void)
{
// local++;
NSLog(@"local:%d", local);
};
block();
NSLog(@"local:%d", local);
在代碼塊中改變局部變量編譯不通過。怎么在代碼塊中改變局部變量呢？在局部變量前面加上關(guān)鍵字：__block
__block int local = 500;
void(^block)(void) = ^(void)
{
local++;
NSLog(@"local:%d", local);
};
block();
NSLog(@"local:%d", local);
運行結(jié)果：
local:501
local:501
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