本文由破船译自galloway!
深度围观block:第一集

小引
还记得之前的两篇文章吗:
iOS汇编教程:ARM(1)和
iOS汇编教程:ARM(2),里面介绍了Objective-C生成的汇编代码。本文介绍的内容也跟汇编相关,只不过是与block相关,如果对汇编有不了解的,可以先去看看那两篇带有启蒙性质的文章。本文将从汇编的角度来介绍block相关知识。另外,如果你对block还不了解的话,建议你先去看看我的上一篇文章:
初识block。
目录:
简介
基础知识
深入一个简单示例
源码在这里
何去何从
正文
简介
今天我们从编译器的角度观察一下block内部是如何工作的。这里说的block是指苹果为C语言增加的具有闭包性(closure)的一个功能,block已经是clang/LLVM编译器所支持的一部分了。我一直在想block是什么,以及它是如何奇迹般的出现在Objective-C对象中(开发者可以像处理实例对象一样,对block进行copy、retain、release)。本文我首先深入的介绍一点关于block的那些事。
基础知识
用过block的开发者都知道,下面的代码就是一个block:
- void(^block)(void) = ^{
- NSLog(@"I'm a block!");
- };
上面的代码中创建了一个名为
block的变量,并把一个简单的block代码赋值给这个变量。代码很简单,不是吗?不!!!在这里我想要搞清楚编译器对这点代码都做了些什么。
更进一步,下面的代码我给block传递了一个变量:
- void(^block)(int a) = ^{
- NSLog(@"I'm a block! a = %i", a);
- };
而下面的代码是从block中返回一个值:
- int(^block)(void) = ^{
- NSLog(@"I'm a block!");
- return 1;
- };
作为一个封闭的包,block将所处的上下文封装到了block中:
- int a = 1;
- void(^block)(void) = ^{
- NSLog(@"I'm a block! a = %i", a);
- };
编译器对上面这些代码具体是如何处理的——这才是我所感兴趣的。
深入一个简单示例
首先我的思路是看看编译器是如何编译一个非常简单的block。来看看如下代码:
- #import <dispatch/dispatch.h>
- typedef void(^BlockA)(void);
- __attribute__((noinline))
- void runBlockA(BlockA block) {
- block();
- }
- void doBlockA() {
- BlockA block = ^{
- // Empty block
- };
- runBlockA(block);
- }
之所以要用上面这样的代码,是因为我想看看block是如何创建的,以及如何调用一个block。如果block的创建和调用都在一个函数里面,那么优化器(optimiser)可能会对代码做优化处理,导致我们看不到任何感兴趣的东西,所以我给
runBlockA函数添加了
noinline,这样优化器就不会在
doBlockA函数中对runBlockA的调用做内联优化处理。
上面代码通过编译器编译之后(armv7,03),会得到如下汇编指令:
- .globl _runBlockA
- .align 2
- .code 16 @ @runBlockA
- .thumb_func _runBlockA
- _runBlockA:
- @ BB#0:
- ldr r1, [r0, #12]
- bx r1
上面的汇编代码是对应runBlockA函数——这相当的简单。注意观察之前的源码,可以知道这个函数只是简单的调用了block。在ARM EABI中,将
r0(寄存器r0)设置为第一个参数。第一条指令(r1)是将存储在地址为
r0 + 12的值装载到寄存器
r1中。这可以理解为指针的解引用——读12个字节到寄存器中。然后跳转到这个地址执行后面的指令。注意,这里使用了r1,而r0没有被修改,仍然是原来的block。所以这里很有可能是利用第一个参数来调用block。
据此,可以确定block在结构中的一些排序规则:block被当做执行的函数时存储在某个结构中,并占据了12个字节。当传递一个block时,指向这些结构的一个指针被传递进来了。
下面来看看
doBlockA函数:
- .globl _doBlockA
- .align 2
- .code 16 @ @doBlockA
- .thumb_func _doBlockA
- _doBlockA:
- movw r0, :lower16:(___block_literal_global-(LPC1_0+4))
- movt r0, :upper16:(___block_literal_global-(LPC1_0+4))
- LPC1_0:
- add r0, pc
- b.w _runBlockA
OK,上面的代码也不复杂——这是关于pc(program counter)的相关加载。你可以将其看做是把变量___block_literal_global的地址加载到r0中。然后调用runBlockA函数。因为从之前的源码中,可以知道我们把block传递给了runBlockA,所以这里的___block_literal_global一定就是那个被传递的block对象了。
到目前为止,我们对上面的源码的运作有一些眉目了!不过这里的___block_literal_global是什么呢?继续看汇编代码,可以找到如下这样的内容:
- .align 2 @ @__block_literal_global
- lock_literal_global:
- .long __NSConcreteGlobalBlock
- .long 1342177280 @ 0x50000000
- .long 0 @ 0x0
- .long ___doBlockA_block_invoke_0
- .long ___block_descriptor_tmp
Cool!上面的汇编代码看起来像是一个结构体。在结构体中又5个值,每个值有4个字节(long)。这肯定就是
RunBlockA调用中涉及到的那个block对象。再细看一下,12个字节所在处就像一个函数指针:_
__doBlockA_block_invoke_0。这也是runBlockA函数中跳转执行的那个分支(bx r1)。
那么上面的汇编代码中
__NSConcreteGlobalBlock又是何物?OK,现在先不介绍这个,后面会做介绍哦!下面我们来看看另外两个感兴趣的东西:
___doBlockA_block_invoke_0和
___block_descriptor_tmp,这两个东东同样出现在了汇编代码中:
- .align 2
- .code 16 @ @__doBlockA_block_invoke_0
- .thumb_func ___doBlockA_block_invoke_0
- ___doBlockA_block_invoke_0:
- bx lr
- .section __DATA,__const
- .align 2 @ @__block_descriptor_tmp
- ___block_descriptor_tmp:
- .long 0 @ 0x0
- .long 20 @ 0x14
- .long L_.str
- .long L_OBJC_CLASS_NAME_
- .section __TEXT,__cstring,cstring_literals
- L_.str: @ @.str
- .asciz "v4@?0"
- .section __TEXT,__objc_classname,cstring_literals
- L_OBJC_CLASS_NAME_: @ @"\01L_OBJC_CLASS_NAME_"
- .asciz "\001"
上面的代码中
___doBlockA_block_invoke_0看起来有点像block的实现部分,只不过这里的block是空的,所以会立即返回(刚开始我们就期望编译一个空的block哦)。
接着看看
___block_descriptor_tmp。这里可以看到另外一个数据结构——有4个值。其中第2个是20,这表示
___block_literal_global的大小。接着是一个名为.str的C字符串,它的值为v4@?0,看起来有点像某个类型的编码形式。这可能是block 类型的编码(例如返回void和不携带任何参数)。上面代码中别的一些值我暂时还不清楚。
源码在这里
没错,这里有源代码!这是LLVM中compiler-rt项目的一部分。查看代码,我发现在Block_private.h文件中,有如下相关代码:
- 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. */
- };
这看起来很熟悉吧!其中
Block_layout结构体就是
___block_literal_global,而
Block_descriptor结构体则是__block_descriptor_tmp。细看Block_descriptor中的第2个变量size正如我之前描述的一样(表示___block_literal_global的大小)。在Block_descriptor中的第3和第4个值有点奇怪。这看起来有点想函数指针,但是在上面的汇编代码中看起来更像是两个字符串。现在我忽略掉这个细节。
Block_layout中的isa肯定就是
__NSConcreteGlobalBlock,这也将确定block如何能够模拟Objective-C对象。如果
__NSConcreteGlobalBlock是一个Class,那么Objective-C消息派送系统会将block对象当做一个普通的对象来处理。这跟如何处理toll-free bridging工作类似。更多相关toll-free bridging信息,可以阅读Mike Ash写的一篇优秀文章。
将所有的代码片段拼凑起来,编译器做的工作内容看起来如下所示:
- #import <dispatch/dispatch.h>
- __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);
- }