全面解析Objective-C中的block代码块的使用
1.相关概念
在这篇笔记开始之前，我们需要对以下概念有所了解。
1.1 操作系统中的栈和堆
注：这里所说的堆和栈与数据结构中的堆和栈不是一回事。
我们先来看看一个由c/c++/objc编译的程序占用内存分布的结构：
栈区（stack）：由系统自动分配，一般存放函数参数值、局部变量的值等。由编译器自动创建与释放。其操作方式类似于数据结构中的栈，即后进先出、先进后出的原则。
例如：在函数中申明一个局部变量int b;系统自动在栈中为b开辟空间。
堆区（heap）：一般由程序员申请并指明大小，最终也由程序员释放。如果程序员不释放，程序结束时可能会由os回收。对于堆区的管理是采用链表式管理的，操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当接收到程序分配内存的申请时，操作系统就会遍历该链表，遍历到一个记录的内存地址大于申请内存的链表节点，并将该节点从该链表中删除，然后将该节点记录的内存地址分配给程序。
例如：在c中malloc函数
char p1;
p1 = (char )malloc(10);
但是p1本身是在栈中的。
链表：是一种常见的基础数据结构，一般分为单向链表、双向链表、循环链表。以下为单向链表的结构图：
单向链表是链表中最简单的一种，它包含两个区域，一个信息域和一个指针域。信息域保存或显示关于节点的信息，指针域储存下一个节点的地址。
上述的空闲内存地址链表的信息域保存的就是空闲内存的地址。
全局区/静态区：顾名思义，全局变量和静态变量存储在这个区域。只不过初始化的全局变量和静态变量存储在一块，未初始化的全局变量和静态变量存储在一块。程序结束后由系统释放。
文字常量区：这个区域主要存储字符串常量。程序结束后由系统释放。
程序代码区：这个区域主要存放函数体的二进制代码。
下面举一个前辈写的例子：
//main.cpp
int a = 0; // 全局初始化区
char *p1; // 全局未初始化区
main {
int b; // 栈
char s[] = "abc"; // 栈
char *p2; // 栈
char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量区，p3在栈上
static int c =0； // 全局静态初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); // 分配得来的10和20字节的区域就在堆区
strcpy(p1, "123456"); // 123456\0在常量区，这个函数的作用是将"123456" 这串字符串复制一份放在p1申请的10个字节的堆区域中。
// p3指向的"123456"与这里的"123456"可能会被编译器优化成一个地址。
}
strcpy函数
原型声明：extern char *strcpy(char* dest, const char *src);
功能：把从src地址开始且含有null结束符的字符串复制到以dest开始的地址空间。
1.2 结构体（struct）
在c语言中，结构体(struct)指的是一种数据结构。结构体可以被声明为变量、指针或数组等，用以实现较复杂的数据结构。结构体同时也是一些元素的集合，这些元素称为结构体的成员(member)，且这些成员可以为不同的类型，成员一般用名字访问。
我们来看看结构体的定义：
struct tag { member-list } variable-list;
- struct：结构体关键字。
- tag：结构体标签。
- member-list：结构体成员列表。
- variable-list：为结构体声明的变量列表。
在一般情况下，tag，member-list，variable-list这三部分至少要出现两个。以下为示例：
// 该结构体拥有3个成员，整型的a，字符型的b，双精度型的c
// 并且为该结构体声明了一个变量s1
// 该结构体没有标明其标签
struct{
int a;
char b;
double c;
} s1;
// 该结构体拥有同样的三个成员
// 并且该结构体标明了标签example
// 该结构体没有声明变量
struct example{
int a;
char b;
double c;
};
//用example标签的结构体，另外声明了变量t1、t2、t3
struct example t1, t2[20], *t3;
以上就是简单结构体的代码示例。结构体的成员可以包含其他结构体，也可以包含指向自己结构体类型的指针。结构体的变量也可以是指针。
下面我们来看看结构体成员的访问。结构体成员依据结构体变量类型的不同，一般有2种访问方式，一种为直接访问，一种为间接访问。直接访问应用于普通的结构体变量，间接访问应用于指向结构体变量的指针。直接访问使用结构体变量名.成员名，间接访问使用(*结构体指针名).成员名或者使用结构体指针名->成员名。相同的成员名称依靠不同的变量前缀区分。
struct example{
int a;
char b;
};
//声明结构体变量s1和指向结构体变量的指针s2
struct example s1, *s2;
//给变量s1和s2的成员赋值,注意s1.a和s2->a并不是同一成员
s1.a = 5;
s1.b = 6;
s2->a = 3;
s2->b = 4;
最后我们来看看结构体成员存储。在内存中，编译器按照成员列表顺序分别为每个结构体成员分配内存。如果想确认结构体占多少存储空间，则使用关键字sizeof，如果想得知结构体的某个特定成员在结构体的位置，则使用offsetof宏(定义于stddef.h)。
struct example{
int a;
char b;
};
//获得example类型结构体所占内存大小
int size_example = sizeof( struct example );
//获得成员b相对于example储存地址的偏移量
int offset_b = offsetof( struct example, b );
1.3 闭包（closure）
闭包就是一个函数，或者一个指向函数的指针，加上这个函数执行的非局部变量。
说的通俗一点，就是闭包允许一个函数访问声明该函数运行上下文中的变量，甚至可以访问不同运行上文中的变量。
我们用脚本语言来看一下：
function funa(callback){
alert(callback());
}
function funb(){
var str = "hello world"; // 函数funb的局部变量，函数funa的非局部变量
funa（
function（）{
return str;
}
）；
}
通过上面的代码我们可以看出，按常规思维来说，变量str是函数funb的局部变量，作用域只在函数funb中，函数funa是无法访问到str的。但是上述代码示例中函数funa中的callback可以访问到str，这是为什么呢，因为闭包性。
2.blcok基础知识
block实际上就是objective-c语言对闭包的实现。
2.1 block的原型及定义
我们来看看block的原型：
nsstring * ( ^ myblock )( int );
上面的代码声明了一个block(^)原型，名字叫做myblock，包含一个int型的参数，返回值为nsstring类型的指针。
下面来看看block的定义：
myblock = ^( int parama )
{
return [ nsstring stringwithformat: @"passed number: %i", parama ];
};
上面的代码中，将一个函数体赋值给了myblock变量，其接收一个名为parama的参数，返回一个nsstring对象。
注意：一定不要忘记block后面的分号。
定义好block后，就可以像使用标准函数一样使用它了：
myblock(7);
由于block数据类型的语法会降低整个代码的阅读性，所以常使用typedef来定义block类型。例如，下面的代码创建了getpersoneducationinfo和getpersonfamilyinfo两个新类型，这样我们就可以在下面的方法中使用更加有语义的数据类型。
// 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
我们用一张大师文章里的图来总结一下block的结构：
2.2 将block作为参数传递
// .h
-(void) testblock:( nsstring * ( ^ )( int ) )myblock;
// .m
-(void) testblock:( nsstring * ( ^ )( int ) )myblock
{
nslog(@"block returned: %@", myblock(7) );
}
由于objective-c是强制类型语言，所以作为函数参数的block也必须要指定返回值的类型，以及相关参数类型。
2.3 闭包性
上文说过，block实际是objc对闭包的实现。
我们来看看下面代码：
#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;
}
上面的代码在main函数中声明了一个整型，并赋值42，另外还声明了一个block，该block会将42返回。然后将block传递给logblock函数，该函数会显示出返回的值42。即使是在函数logblock中执行block，而block又声明在main函数中，但是block仍然可以访问到x变量，并将这个值返回。
注意：block同样可以访问全局变量，即使是static。
2.4 block中变量的复制与修改
对于block外的变量引用，block默认是将其复制到其数据结构中来实现访问的，如下图：
通过block进行闭包的变量是const的。也就是说不能在block中直接修改这些变量。来看看当block试着增加x的值时，会发生什么：
myblock = ^( void )
{
x++;
return x;
};
编译器会报错，表明在block中变量x是只读的。
有时候确实需要在block中处理变量，怎么办？别着急，我们可以用__block关键字来声明变量，这样就可以在block中修改变量了。
基于之前的代码，给x变量添加__block关键字，如下：
__block int x;
对于用__block修饰的外部变量引用，block是复制其引用地址来实现访问的，如下图：
3.编译器中的block
3.1 block的数据结构定义
我们通过大师文章中的一张图来说明：
上图这个结构是在栈中的结构，我们来看看对应的结构体定义：
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. */
};
从上面代码看出，block_layout就是对block结构体的定义：
isa指针：指向表明该block类型的类。
flags：按bit位表示一些block的附加信息，比如判断block类型、判断block引用计数、判断block是否需要执行辅助函数等。
reserved：保留变量，我的理解是表示block内部的变量数。
invoke：函数指针，指向具体的block实现的函数调用地址。
descriptor：block的附加描述信息，比如保留变量数、block的大小、进行copy或dispose的辅助函数指针。
variables：因为block有闭包性，所以可以访问block外部的局部变量。这些variables就是复制到结构体中的外部局部变量或变量的地址。
3.2 block的类型
block有几种不同的类型，每种类型都有对应的类，上述中isa指针就是指向这个类。这里列出常见的三种类型：
_nsconcreteglobalblock：全局的静态block，不会访问任何外部变量，不会涉及到任何拷贝，比如一个空的block。例如：
#include int main()
{
^{ printf("hello, world!\n"); } ();
return 0;
}
_nsconcretestackblock：保存在栈中的block，当函数返回时被销毁。例如：
#include int main()
{
char a = 'a';
^{ printf("%c\n",a); } ();
return 0;
}
_nsconcretemallocblock：保存在堆中的block，当引用计数为0时被销毁。该类型的block都是由_nsconcretestackblock类型的block从栈中复制到堆中形成的。例如下面代码中，在exampleb_addblocktoarray方法中的block还是_nsconcretestackblock类型的，在exampleb方法中就被复制到了堆中，成为_nsconcretemallocblock类型的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();
}
总结一下：
- _nsconcreteglobalblock类型的block要么是空block，要么是不访问任何外部变量的block。它既不在栈中，也不在堆中，我理解为它可能在内存的全局区。
- _nsconcretestackblock类型的block有闭包行为，也就是有访问外部变量，并且该block只且只有有一次执行，因为栈中的空间是可重复使用的，所以当栈中的block执行一次之后就被清除出栈了，所以无法多次使用。
- _nsconcretemallocblock类型的block有闭包行为，并且该block需要被多次执行。当需要多次执行时，就会把该block从栈中复制到堆中，供以多次执行。
3.3 编译器如何编译
我们通过一个简单的示例来说明：
#import typedef void(^blocka)(void);
__attribute__((noinline))
void runblocka(blocka block) {
block();
}
void doblocka() {
blocka block = ^{
// empty block
};
runblocka(block);
}
上面的代码定义了一个名为blocka的block类型，该block在函数doblocka中实现，并将其作为函数runblocka的参数，最后在函数doblocka中调用函数runbloacka。
注意：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，从而导致我们看不到编译器中的一些操作，所以用__attribute__((noinline))给函数runblocka添加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。
我们来看看编译器做的工作内容：
#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);
}
上面的代码结合block的数据结构定义，我们能很容易得理解编译器内部对block的工作内容。
3.4 copy()和dispose()
上文中提到，如果我们想要在以后继续使用某个block，就必须要对该block进行拷贝操作，即从栈空间复制到堆空间。所以拷贝操作就需要调用block_copy()函数，block的descriptor中有一个copy()辅助函数，该函数在block_copy()中执行，用于当block需要拷贝对象的时候，拷贝辅助函数会retain住已经拷贝的对象。
既然有有copy那么就应该有release，与block_copy()对应的函数是block_release()，它的作用不言而喻，就是释放我们不需要再使用的block，block的descriptor中有一个dispose()辅助函数，该函数在block_release()中执行，负责做和copy()辅助函数相反的操作，例如释放掉所有在block中拷贝的变量等。
4.下面来看几个具体的运行示例：
4.1参数是nsstring*的代码块
void (^printblock)(nsstring *x);
printblock = ^(nsstring* str)
{
nslog(@"print:%@", str);
};
printblock(@"hello world!");
运行结果是：print:hello world!
4.2代码用在字符串数组排序
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);
运行结果：
sortarray:( "abc 05", "abc 1", "abc 12", "abc 13", "abc 21" )
4.3代码块的递归调用
代码块想要递归调用，代码块变量必须是全局变量或者是静态变量，这样在程序启动的时候代码块变量就初始化了，可以递归调用
static void (^ const blocks)(int) = ^(int i)
{
if (i > 0) {
nslog(@"num:%d", i);
blocks(i - 1);
}
};
blocks(3);
运行打印结果：
num:3 num:2 num:1
4.4在代码块中使用局部变量和全局变量
在代码块中可以使用和改变全局变量
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;
}
运行打印结果：
global:1001 global:1001
而局部变量可以使用，但是不能改变。
int local = 500;
void(^block)(void) = ^(void)
{
// local++;
nslog(@"local:%d", local);
};
block();
nslog(@"local:%d", local);
在代码块中改变局部变量编译不通过。怎么在代码块中改变局部变量呢？在局部变量前面加上关键字：__block
__block int local = 500;
void(^block)(void) = ^(void)
{
local++;
nslog(@"local:%d", local);
};
block();
nslog(@"local:%d", local);
运行结果：
local:501
local:501