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@MicroCai 2016-05-20T04:11:44.000000Z 字数 7293 阅读 14443

block没那么难(二):block和变量的内存管理

Archives iOS


本系列博文总结自《Pro Multithreading and Memory Management for iOS and OS X with ARC》


了解了 block的实现,我们接着来聊聊 block 和变量的内存管理。本文将介绍可写变量、block的内存段、__block变量的内存段等内容,看完本文会对 block 和变量的内存管理有更加清晰的认识。

上篇文章举了个例子,在 block 内获取了一个外部的局部变量,可以读取,但无法进行写入的修改操作。在 C 语言中有三种类型的变量,可在 block 内进行读写操作

  • 全局变量
  • 全局静态变量
  • 静态变量

全局变量全局静态变量 由于作用域在全局,所以在 block 内访问和读写这两类变量和普通函数没什么区别,而 静态变量 作用域在 block 之外,是怎么对它进行读写呢?通过 clang 工具,我们发现原来 静态变量 是通过指针传递,将变量传递到 block 内,所以可以修改变量值。而上篇文章中的外部变量是通过值传递,自然没法对获取到的外部变量进行修改。由此,可以给我们一个启示,当我们需要修改外部变量时,是不是也可以像 静态变量 这样通过指针来修改外部变量的值呢?

Apple 早就为我们准备了这么一个东西 —— “__block”

__block 说明符

按照惯例,重写一小段代码看看 __block 的真身

  1. /************* 使用 __block 的源码 *************/
  2. int main()
  3. {
  4. __block int intValue = 0;
  5. void (^blk)(void) = ^{
  6. intValue = 1;
  7. };
  8. return 0;
  9. }
  1. /************* 使用 clang 翻译后如下 *************/
  2. struct __block_impl
  3. {
  4. void *isa;
  5. int Flags;
  6. int Reserved;
  7. void *FuncPtr;
  8. };
  9. struct __Block_byref_intValue_0
  10. {
  11. void *__isa;
  12. __Block_byref_intValue_0 *__forwarding;
  13. int __flags;
  14. int __size;
  15. int intValue;
  16. };
  17. struct __main_block_impl_0
  18. {
  19. struct __block_impl impl;
  20. struct __main_block_desc_0* Desc;
  21. __Block_byref_intValue_0 *intValue; // by ref
  22. __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_intValue_0 *_intValue, int flags=0) : intValue(_intValue->__forwarding)
  23. {
  24. impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
  25. impl.Flags = flags;
  26. impl.FuncPtr = fp;
  27. Desc = desc;
  28. }
  29. };
  30. static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself)
  31. {
  32. __Block_byref_intValue_0 *intValue = __cself->intValue; // bound by ref
  33. (intValue->__forwarding->intValue) = 1;
  34. }
  35. static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0 *dst, struct __main_block_impl_0 *src)
  36. {
  37. _Block_object_assign((void*)&dst->intValue, (void*)src->intValue, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
  38. }
  39. static void __main_block_dispose_0(struct __main_block_impl_0 *src)
  40. {
  41. _Block_object_dispose((void*)src->intValue, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);
  42. }
  43. static struct __main_block_desc_0
  44. {
  45. size_t reserved;
  46. size_t Block_size;
  47. void (*copy)(struct __main_block_impl_0*, struct __main_block_impl_0*);
  48. void (*dispose)(struct __main_block_impl_0*);
  49. } __main_block_desc_0_DATA = { 0,
  50. sizeof(struct __main_block_impl_0),
  51. __main_block_copy_0,
  52. __main_block_dispose_0
  53. };
  54. int main()
  55. {
  56. __attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_intValue_0 \
  57. intValue =
  58. {
  59. (void*)0,
  60. (__Block_byref_intValue_0 *)&intValue,
  61. 0,
  62. sizeof(__Block_byref_intValue_0),
  63. 0
  64. };
  65. void (*blk)(void) = (void (*)()) &__main_block_impl_0 \
  66. (
  67. (void *)__main_block_func_0, \
  68. &__main_block_desc_0_DATA, \
  69. (__Block_byref_intValue_0 *)&intValue, \
  70. 570425344 \
  71. );
  72. return 0;
  73. }

在加了 __block 之后,代码量增加了不少,仔细查看,其实只是比原来多了

  1. __Block_byref_intValue_0 结构体:用于封装 __block 修饰的外部变量。
  2. _Block_object_assign 函数:当 block 从栈拷贝到堆时,调用此函数。
  3. _Block_object_dispose 函数:当 block 从堆内存释放时,调用此函数。

OC源码中的 __block intValue 翻译后变成了 __Block_byref_intValue_0 结构体指针变量 intValue,通过指针传递到 block 内,这与前面说的 静态变量 的指针传递是一致的。除此之外,整体的执行流程与不加 __block 基本一致,不再赘述。但 __Block_byref_intValue_0 这个结构体需特别注意下

  1. // 存储 __block 外部变量的结构体
  2. struct __Block_byref_intValue_0
  3. {
  4. void *__isa; // 对象指针
  5. __Block_byref_intValue_0 *__forwarding; // 指向自己的指针
  6. int __flags; // 标志位变量
  7. int __size; // 结构体大小
  8. int intValue; // 外部变量
  9. };

在已有结构体指针指向 __Block_byref_intValue_0 时,结构体里面还多了个 __forwarding 指向自己的指针变量,难道不显得多余吗?一点也不,本文后面会阐述。


block 的内存管理

在前文中,已经提到了 block 的三种类型 NSConcreteGlobalBlock_NSConcreteStackBlock_NSConcreteMallocBlock,见名知意,可以看出三种 block 在内存中的分布

_NSConcreteGlobalBlock

1、当 block 字面量写在全局作用域时,即为 global block
2、当 block 字面量不获取任何外部变量时,即为 global block

除了上述描述的两种情况,其他形式创建的 block 均为 stack block

  1. // 下面 block 虽然定义在 for 循环内,但符合第二种情况,所以也是 global block
  2. typedef int (^blk_t)(int);
  3. for (int rate = 0; rate < 10; ++rate)
  4. {
  5. blk_t blk = ^(int count){return rate * count;};
  6. }

_NSConcreteGlobalBlock 类型的 block 处于内存的 ROData 段,此处没有局部变量的骚扰,运行不依赖上下文,内存管理也简单的多。

_NSConcreteStackBlock

_NSConcreteStackBlock 类型的 block 处于内存的栈区。global block 由于处在 data 段,可以通过指针安全访问,但 stack block 处在内存栈区,如果其变量作用域结束,这个 block 就被废弃,block 上的 __block 变量也同样会被废弃。

为了解决这个问题,block 提供了 copy 的功能,将 block 和 __block 变量从栈拷贝到堆,就是下面要说的 _NSConcreteMallocBlock

_NSConcreteMallocBlock

当 block 从栈拷贝到堆后,当栈上变量作用域结束时,仍然可以继续使用 block

此时,堆上的 block 类型为 _NSConcreteMallocBlock,所以会将 _NSConcreteMallocBlock 写入 isa

  1. impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;

如果你细心的观察上面的转换后的代码,会发现访问结构体 __Block_byref_intValue_0 内部的成员变量都是通过访问 __forwarding 指针完成的。为了保证能正确访问栈上的 __block 变量,进行 copy 操作时,会将栈上的 __forwarding 指针指向了堆上的 block 结构体实例。


block 的自动拷贝和手动拷贝

在开启 ARC 时,大部分情况下编译器通常会将创建在栈上的 block 自动拷贝到堆上,只有当

block 作为方法或函数的参数传递时,编译器不会自动调用 copy 方法;

但方法/函数在内部已经实现了一份拷贝了 block 参数的代码,或者如果编译器自动拷贝,那么调用者就不需再手动拷贝,比如:

  • 当 block 作为函数返回值返回时,编译器自动将 block 作为 _Block_copy 函数,效果等同于 block 直接调用 copy 方法;
  • 当 block 被赋值给 __strong id 类型的对象或 block 的成员变量时,编译器自动将 block 作为 _Block_copy 函数,效果等同于 block 直接调用 copy 方法;
  • 当 block 作为参数被传入方法名带有 usingBlock 的 Cocoa Framework 方法或 GCD 的 API 时。这些方法会在内部对传递进来的 block 调用 copy_Block_copy 进行拷贝;

让我们看个 block 自动拷贝的例子

  1. /************ ARC下编译器自动拷贝block ************/
  2. typedef int (^blk_t)(int);
  3. blk_t func(int rate)
  4. {
  5. return ^(int count){return rate * count;};
  6. }

上面的 block 获取了外部变量,所以是创建在栈上,当 func 函数返回给调用者时,脱离了局部变量 rate 的作用范围,如果调用者使用这个 block 就会出问题。那 ARC 开启的情况呢?运行这个 block 一切正常。和我们的预期结果不一样,ARC 到底给 block 施了什么魔法?我们将上面的代码翻译下

  1. blk_t func(int rate)
  2. {
  3. blk_t tmp = &__func_block_impl_0(__func_block_func_0, &__func_block_desc_0_DATA, rate);
  4. tmp = objc_retainBlock(tmp);
  5. return objc_autoreleaseReturnValue(tmp);
  6. }

转换后出现两个新函数 objc_retainBlockobjc_autoreleaseReturnValue。如果你看过runtime 库(点此下载) ,在 runtime/objc-arr.mm 文件中就有这两个函数的实现:

  1. /*********** objc_retainBlock() 的实现 ***********/
  2. id objc_retainBlock(id x)
  3. {
  4. #if ARR_LOGGING
  5. objc_arr_log("objc_retain_block", x);
  6. ++CompilerGenerated.blockCopies;
  7. #endif
  8. return (id)_Block_copy(x);
  9. }
  10. // Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
  11. // This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
  12. // under Objective-C Garbage Collection.
  13. BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
  14. __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);
  1. /*********** objc_autoreleaseReturnValue() 的实现 ***********/
  2. id objc_autoreleaseReturnValue(id obj)
  3. {
  4. #if SUPPORT_RETURN_AUTORELEASE
  5. assert(_pthread_getspecific_direct(AUTORELEASE_POOL_RECLAIM_KEY) == NULL);
  6. if (callerAcceptsFastAutorelease(__builtin_return_address(0))) {
  7. _pthread_setspecific_direct(AUTORELEASE_POOL_RECLAIM_KEY, obj);
  8. return obj;
  9. }
  10. #endif
  11. return objc_autorelease(obj);
  12. }

通过上面的代码和注释,意思就很明显了,由于 block 字面量是创建在栈内存,通过 objc_retainBlock() 函数拷贝到堆内存,让 tmp 重新指向堆上的 block,然后将 tmp 所指的堆上的 block 作为一个 Objective-C 对象放入 autoreleasepool 里面,从而保证了返回后的 block 仍然可以正确执行。

看完了 block 的自动拷贝,那么看看在 ARC 下需要手动拷贝 block 的例子

  1. /************ ARC下编译器手动拷贝block ************/
  2. - (id)getBlockArray
  3. {
  4. int val = 10;
  5. return [[NSArray alloc] initWithObjects:
  6. ^{NSLog(@"blk0:%d", val);},
  7. ^{NSLog(@"blk1:%d", val);}, nil];
  8. }

一个例子就了然,返回的数组里面的 block 是不可用的,需要再手动拷贝一次才可以,这个较为简单,就不作过多解释。

关于 block 的拷贝操作可以用一张表总结下

block 拷贝的讲解就到此为止,有兴趣可以了解下 block 的多次拷贝。

block的多次拷贝:下面的例子在 ARC 下并不会产生内存泄露哦

  1. // block 多次拷贝源码
  2. blk = [[[[blk copy] copy] copy] copy];
  1. // 翻译后的代码
  2. {
  3. blk_t tmp = [blk copy];
  4. blk = tmp;
  5. }
  6. {
  7. blk_t tmp = [blk copy];
  8. blk = tmp;
  9. }
  10. {
  11. blk_t tmp = [blk copy];
  12. blk = tmp;
  13. }
  14. {
  15. blk_t tmp = [blk copy];
  16. blk = tmp;
  17. }

__block 变量的内存管理

上面啰嗦一堆,这小节主要用图说话,必要时加文字说明。

  1. /*************** __forwarding 的作用 ***************/
  2. //猜猜下面代码的打印结果?
  3. {
  4. __block int val = 0;
  5. void (^blk)(void) = [^{++val;} copy];
  6. ++val;
  7. blk();
  8. NSLog(@"%d", val);
  9. }

一定有很多人会猜 1,其实打印 2。原因很简单,当栈上的 block 被拷贝到堆上时,栈上的 __forwarding 也会指向堆上的 __block 变量的结构体。

上面的代码中 ^{++val;}++val; 都会被转换成 ++(val.__forwarding->val);,堆上的 val 被加了两次,最后打印堆上的 val2

图解


block 和变量的内存管理终于讲完了,看似很长,只要了解本质,其实很简单。期待下篇文章《block没那么难(三):block和对象的内存管理》

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