block介绍（四）揭开神秘面纱（下）

终于有空开始这系列最后一篇的编写。

这一篇，我们将看到block的内存管理的内部实现，通过剖析runtime库源码，我们可以更深刻的理解block的内存运作体系。

看此篇时，请大家同时打开两个网址（或者下载它们到本地然后打开）：

http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/runtime.c

http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/Block_private.h

 

内存管理的真面目

 

objc层面如何区分不同内存区的block

Block_private.h中有这样一组值：

/* the raw data space for runtime classes for blocks */
/* class+meta used for stack, malloc, and collectable based blocks */
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteStackBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteMallocBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteAutoBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteFinalizingBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteGlobalBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32];

其用于对block的isa指针赋值

1.栈

struct __OBJ1__of2_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __OBJ1__of2_block_desc_0* Desc;
  OBJ1 *self;
  __OBJ1__of2_block_impl_0(void *fp, struct __OBJ1__of2_block_desc_0 *desc, OBJ1 *_self, int flags=0) : self(_self) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};

在栈上创建的block，其isa指针是_NSConcreteStackBlock。

2.全局区

在全局区创建的block，其比较类似，其构造函数会将isa指针赋值为_NSConcreteGlobalBlock。

3.堆

我们无法直接创建堆上的block，堆上的block需要从stack block拷贝得来，在runtime.c中的_Block_copy_internal函数中，有这样几行：

    // Its a stack block.  Make a copy.
    if (!isGC) {
        struct Block_layout *result = malloc(aBlock->descriptor->size);
        ...
        result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
        ...
        return result;
    }

可以看到，栈block复制得来的新block，其isa指针会被赋值为_NSConcreteMallocBlock

4.其余的isa类型

BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteAutoBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteFinalizingBlock[32];
BLOCK_EXPORT void * _NSConcreteWeakBlockVariable[32];

其他三种类型是用于gc和arc，我们暂不讨论

 

复制block

 对block调用Block_copy方法，或者向其发送objc copy消息，最终都会调用runtime.c中的_Block_copy_internal函数，其内部实现会检查block的flag，从而进行不同的操作：

static void *_Block_copy_internal(const void *arg, const int flags) {
    ...
    aBlock = (struct Block_layout *)arg;
    ...
}

1.栈block的复制

        // reset refcount
        result->flags &= ~(BLOCK_REFCOUNT_MASK);    // XXX not needed
        result->flags |= BLOCK_NEEDS_FREE | 1;
        result->isa = _NSConcreteMallocBlock;
        if (result->flags & BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE) {
            //printf("calling block copy helper %p(%p, %p)...\n", aBlock->descriptor->copy, result, aBlock);
            (*aBlock->descriptor->copy)(result, aBlock); // do fixup
        }

 除了修改isa指针的值之外，拷贝过程中，还会将BLOCK_NEEDS_FREE置入，大家记住这个值，后面会用到。

最后，如果block有辅助copy/dispose函数，那么辅助的copy函数会被调用。

 

2.全局block的复制

    else if (aBlock->flags & BLOCK_IS_GLOBAL) {
        return aBlock;
    }

全局block进行copy是直接返回了原block，没有任何的其他操作。

 

3.堆block的复制

    if (aBlock->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) {
        // latches on high
        latching_incr_int(&aBlock->flags);
        return aBlock;
    }

栈block复制时，置入的BLOCK_NEEDS_FREE标记此时起作用，_Block_copy_internal函数识别当前block是一个堆block，则仅仅增加引用计数，然后返回原block。

 

辅助copy/dispose函数

1.普通变量的复制

辅助copy函数用于拷贝block所引用的可修改变量，我们这里以 __block int i = 1024为例：

先看看Block_private.h中的定义：

struct Block_byref {
    void *isa;
    struct Block_byref *forwarding;
    int flags; /* refcount; */
    int size;
    void (*byref_keep)(struct Block_byref *dst, struct Block_byref *src);
    void (*byref_destroy)(struct Block_byref *);
    /* long shared[0]; */
};

而我们的__block int i = 1024的转码：

struct __Block_byref_i_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_i_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 int i;
};//所以我们知道，当此结构体被类型强转为Block_byref时，前四个成员是一致的，访问flags就相当于访问__flags，而内部实现就是这样使用的
...
__attribute__((__blocks__(byref))) __Block_byref_i_0 i = {(void*)0,(__Block_byref_i_0 *)&i, 0, sizeof(__Block_byref_i_0), 1024};//i初始化时__flags为0

static void __main_block_copy_0(struct __main_block_impl_0*dst, struct __main_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->i, (void*)src->i, 8/*BLOCK_FIELD_IS_BYREF*/);}

此时，复制时调用的辅助函数：

void _Block_object_assign(void *destAddr, const void *object, const int flags) {//此处flags为8，即BLOCK_FIELD_IS_BYREF
    ...
    if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_BYREF) == BLOCK_FIELD_IS_BYREF)  {
        // copying a __block reference from the stack Block to the heap
        // flags will indicate if it holds a __weak reference and needs a special isa
        _Block_byref_assign_copy(destAddr, object, flags);
    }
    ...
}

static void _Block_byref_assign_copy(void *dest, const void *arg, const int flags) {//此处flags为8，即BLOCK_FIELD_IS_BYREF
    struct Block_byref **destp = (struct Block_byref **)dest;
    struct Block_byref *src = (struct Block_byref *)arg;
    ...
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_REFCOUNT_MASK) == 0) {//当初次拷贝i时，flags为0，进入此分支会进行复制操作并改变flags值，置入BLOCK_NEEDS_FREE和初始的引用计数
       ...
    }
    // already copied to heap
    else if ((src->forwarding->flags & BLOCK_NEEDS_FREE) == BLOCK_NEEDS_FREE) {//当再次拷贝i时，则仅仅增加其引用计数
        latching_incr_int(&src->forwarding->flags);
    }
    // assign byref data block pointer into new Block
    _Block_assign(src->forwarding, (void **)destp);//这句仅仅是直接赋值，其函数实现只有一行赋值语句，查阅runtime.c可知
}

所以，我们知道，当我们多次copy一个block时，其引用的__block变量只会被拷贝一次。

 

2.objc变量的复制 

当objc变量没有__block修饰时：

static void __OBJ1__of2_block_copy_0(struct __OBJ1__of2_block_impl_0*dst, struct __OBJ1__of2_block_impl_0*src) {_Block_object_assign((void*)&dst->self, (void*)src->self, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}

void _Block_object_assign(void *destAddr, const void *object, const int flags) {
    ...
    else if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) == BLOCK_FIELD_IS_OBJECT) {
        //printf("retaining object at %p\n", object);
        _Block_retain_object(object);//当我们没有开启arc时，这个函数会retian此object
        //printf("done retaining object at %p\n", object);
        _Block_assign((void *)object, destAddr);
    }
    ....
}

当objc变量有__block修饰时：

struct __Block_byref_bSelf_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_bSelf_0 *__forwarding;
 int __flags;
 int __size;
 void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
 void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
 OBJ1 *bSelf;
};
static void __Block_byref_id_object_copy_131(void *dst, void *src) {
 _Block_object_assign((char*)dst + 40, *(void * *) ((char*)src + 40), 131);//131即为BLOCK_FIELD_IS_OBJECT|BLOCK_BYREF_CALLER
}
static void __Block_byref_id_object_dispose_131(void *src) {
 _Block_object_dispose(*(void * *) ((char*)src + 40), 131);
}
 
... //33554432即为BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE
    __block __Block_byref_bSelf_0 bSelf = {(void*)0,(__Block_byref_bSelf_0 *)&bSelf, 33554432, sizeof(__Block_byref_bSelf_0), __Block_byref_id_object_copy_131, __Block_byref_id_object_dispose_131, self};

BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE告诉内部实现，这个变量结构体具有自己的copy/dispose辅助函数，而此时我们的内部实现不会进行默认的复制操作：

void _Block_object_assign(void *destAddr, const void *object, const int flags) {
    //printf("_Block_object_assign(*%p, %p, %x)\n", destAddr, object, flags);
    if ((flags & BLOCK_BYREF_CALLER) == BLOCK_BYREF_CALLER) {
        if ((flags & BLOCK_FIELD_IS_WEAK) == BLOCK_FIELD_IS_WEAK) {
            _Block_assign_weak(object, destAddr);
        }
        else {
            // do *not* retain or *copy* __block variables whatever they are
            _Block_assign((void *)object, destAddr);
        }
    }

当我们没有开启arc，且flags中具有BLOCK_BYREF_CALLER时，会进入_Block_assign函数，而此函数仅仅是赋值

所以，如果要避免objc实例中的block引起的循环引用，我们需要让block间接使用self：

__block bSelf = self;

 

其他

对于dipose辅助函数，其行为与copy是类似的，我们不再重复同样的东西，如果大家要了解，自行查阅runtime.c和Block_private.h即可。

我们已经理解了非arc非gc情况下的block的内存管理内部实现，对arc和gc的情况，其行为也是类似的，只是一些函数的指针指向的真正函数会改变，比如_Block_use_GC函数，会将一些函数指向其他的实现，使其适用于gc开启的情况。

 

小结

block实际上是一些执行语句和语句需要的上下文的组合，而runtime给予的内部实现决定了它不会浪费一比特的内存。

我们知道cocoa中的容器类class有mutable和immutable之分，实际上我们可以将block看做一个immutable的容器，其盛放的是执行的代码和执行此代码需要的变量，而一个immutable变量的无法改变的特质，也决定了block在复制时，的确没有必要不断分配新的内存。故而其复制的行为会是增加引用计数。

 

最后，参考资料列表如下

http://thirdcog.eu/pwcblocks/#cblocks-memory

http://blog.youkuaiyun.com/jasonblog/article/details/7756763

http://clang.llvm.org/docs/Block-ABI-Apple.html

http://www.tanhao.me/pieces/310.html

http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/runtime.c

http://llvm.org/svn/llvm-project/compiler-rt/trunk/BlocksRuntime/Block_private.h