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Objective C block背后的黑魔法

2017-04-19 06:37 编辑: suiling 分类:iOS开发 来源:黄文臣的专栏

前言

block在Objective C开发中应用非常广泛,我们知道block会捕获外部对象,也知道使用block要防止循环引用。

“知其然而不知其所以然”是一件很痛苦的事情,那么block这套机制在OC中是如何实现的呢?本文通过从C/C++到汇编层面分析block的实现原理。

Clang

clang是XCode的编译器前端,编译器前端负责语法分析,语义分析,生成中间代码(intermediate representation )。

比如当你在XCode中进行build一个.m文件的时候,实际的编译命令如下

clang -x objective-c -arch x86_64
-fmessage-length=0 
-fobjc-arc... 
-Wno-missing-field-initializers ... 
-DDEBUG=1 ... 
-isysroot iPhoneSimulator10.1.sdk 
-fasm-blocks ... 
-I headers.hmap 
-F 所需要的Framework  
-iquote 所需要的Framework  ... 
-c ViewController.m 
-o ViewController.o

Objective C也可以用GCC来编译,不过那超出了本文的范畴,不做讲解。

Clang除了能够进行编译之外,还有其他一些用法。比如本文分析代码的核心命令就是这个:

clang -rewrite-objc 文件.m

通过这个命令,我们可以把Objective C的代码用C++来表示。

对于想深入理解Clang命令的同学,可以用命令忙自带的工具来查看帮助文档

man clang11

或者阅读官方文档:文档地址

查看汇编代码

在XCode中,对于一个源文件,我们可以通过如下方式查看其汇编代码。这对我们分析代码深层次的实现原理非常有用,这个在后面也会遇到。

20170416205130868.png

Objective C对象内存模型

为了本文讲解的更清楚,我们首先来看看一个Objective C对象的内存模型。我们首先新建一个类,内容如下

DemoClass.h

@interface DemoClass : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString * value;
@end

DemoClass.m

@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
    DemoClass * obj = [[DemoClass alloc] init];
}
@end

然后,我们用上文提到的Clang命令将DemoClass.m转成C++的表示。

clang -rewrite-objc DemoClass.m

转换完毕后当前目录会多一个DemoClass.cpp文件,这个文件很大,接近十万行。

我们先搜索这个方法名称demoFunction,以方法作为切入

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = ((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((DemoClass *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}

可以看到,转换成C++后,一个实例方法转换为一个静态方法,这个方法的内容看起来很乱,因为有各种的类型强制转换,去掉后就比较清楚了。

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}

可以看到:

  • 转换后增加了两个参数:self和_cmd

  • 方法的调用转换成了objc_msgSend,这是一个C函数,两个参数分别是Class和SEL

关于objc_msgSend内发生的事情,参见我之前的一篇博客:

到这里,我们知道了一个OC的实例方法具体是怎么实现的了。

那么,一个OC对象在内存中是如何存储的呢?我们在刚刚的方法的上下可以找到这个类的完整实现,

//类对应的结构体
struct DemoClass_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_value;
};
//demoFunction方法
static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    DemoClass * obj = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("DemoClass"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
}
//属性value的getter方法
static NSString * _I_DemoClass_value(DemoClass * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_DemoClass$_value)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

//属性value的setter方法
static void _I_DemoClass_setValue_(DemoClass * self, SEL _cmd, NSString *value) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct DemoClass, _value), (id)value, 0, 1); }

我们侧重来看看类对应的结构体

struct DemoClass_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_value;
};
//我们依次查找不清楚的定义
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class isa ;
};

可以看到,OC类实际是按照以下方式来存储对象的

  • isa指针。指向objc_class类型的结构体,这个结构体中存储了方法的列表等类相关的信息,因为objc_msgSend中,发给对象的实际是一个字符串,运行时就是通过isa找到类对象,然后通过字符串找到方法的实际执行的。

  • ivar。属性背后的存储对象,到这里也能看出来一个普通的属性就是ivar+getter+setter.

也就是说,只要有isa指针,指向一个类对象,那么这个结构就能处理OC的消息机制,也就能当成OC的对象来用。

Block的本质

我们修改DemoClass.m中的内容如下

typedef void(^VoidBlock)(void);
@implementation DemoClass

- (void)demoFunction{
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = ^{
        NSLog(@"%ld",variable);
    };
    temp();
}
@end

然后,重新用clang转换为C++代码,有关这段代码的内容如下:

struct __block_impl {
  void *isa;
  int Flags;
  int Reserved;
  void *FuncPtr;
};
struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  NSInteger variable;
  __DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp, struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc, NSInteger _variable, int flags=0) : variable(_variable) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};
static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_Test_c7592d_mi_0,variable);
}

static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = ((void (*)())&__DemoClass__demoFunction_block_impl_0((void *)__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
    ((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)temp)->FuncPtr)((__block_impl *) temp);
}

我们还是以方法作为切入点,看俺具体是怎么实现的。_I_DemoClass_demoFunction是DemoFunction转换后的方法。我们去掉一些强制转化代码,这样看起来更清楚

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    NSInteger variable = 10;
    VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0, &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, variable));
    (temp->FuncPtr)(temp);
}

从上至下,三行的左右依次是

  • 初始化一个variable(也就是block捕获的变量)

  • 调用结构体__DemoClass__demoFunction_block_impl_0的构造函数来新建一个结构体,并且把地址赋值给temp变量(也就是初始化一个block)

  • 通过调用temp变量内的函数指针(C的函数指针)来执行实际的函数。

通过这些分析,我们知道了Block的大致实现

block背后的内存模型实际上是一个结构体,这个结构体会存储一个函数指针来指向block的实际执行代码。

接着,我们来深入的研究下block背后的结构体,也就是这个结构体__DemoClass__demoFunction_block_impl_0:

struct __block_impl {
  void *isa; //和上文提到的OC对象isa一样,指向的类对象,用来找到方法的实现
  int Flags; //标识位
  int Reserved; //保留
  void *FuncPtr; //Block对应的函数指针
};

struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  //结构体的通用存储结构
  struct __block_impl impl;
  //本结构体的描述信息
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  //捕获的外部变量
  NSInteger variable;
  //构造函数(也就是初始化函数,用来在创建结构体实例的时候,进行必要的初始化工作)
  struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 {
  struct __block_impl impl;
  struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0* Desc;
  NSInteger variable;
  __DemoClass__demoFunction_block_impl_0(void *fp,
                                         struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 *desc,
                                         NSInteger _variable,
                                         int flags=0) : variable(_variable) {
    impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
    impl.Flags = flags;
    impl.FuncPtr = fp;
    Desc = desc;
  }
};


我们在回头看看block初始化那句代码

//OC
VoidBlock temp = ^{
        NSLog(@"%ld",variable);
};
//C++
VoidBlock temp = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(__DemoClass__demoFunction_block_func_0, 
&__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA, 
variable));

在对应之前代码块的构造函数,我们可以清楚的看到,在初始化的时候三个参数依次是

  • 函数指针__DemoClass__demoFunction_block_func_0

  • block的描述结构体(全局静态结构体)__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA

  • 捕获的变量variable

接着,我们来看看block背后的C函数__DemoClass__demoFunction_block_func_0

static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  NSInteger variable = __cself->variable; // bound by copy
  NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0,variable);
}

Tips:

内存中存储区域可分为以下几个区域:

  • TEXT 代码区

  • DATA 数据区

  • Stack 栈区

  • HEAP 堆区

上文的字符串@”%ld”,对应C++代码是)&__NSConstantStringImpl__var_folders_hj_392p68d55td2kdxrbd9h15g40000gn_T_DemoClass_c7592d_mi_0,是存储在数据区的。这样即使程序中有多个@”%ld”,也不会创建多个实例。

可以看到,这个C函数的参数是__DemoClass__demoFunction_block_impl_0,也就是一个block类型。然后在方法体内部,使用这个block类型的参数。

最后,我们分析下block的描述信息,也就是这段代码

static struct __DemoClass__demoFunction_block_desc_0 {
  size_t reserved;
  size_t Block_size;
} __DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0)};

这段代码不难理解,就是声明一个描述信息的结构体,然后初始化这个结构体类型的全局静态变量。

分析到这里,上面代码的大多数内容我们都理解了,但是有一点我们还没有搞清楚,就是isa指向的内容_NSConcreteStackBlock

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

但是,到这里我们知道了为什么Block可以当作OC对象来用的原因:就是这个指向类对象的isa指针。

Block的类型

上文提到了_NSConcreteStackBlock是Block一种,block一共有三种类型

  • NSConcreteStackBlock 栈上分配,作用域结束后自动释放

  • NSConcreteGlobalBlock 全局分配,类似全局变量,存储在数据段,内存中只有一份

  • NSConcreteHeapBlock 堆上分配

我们仍然尝试用Clang转换的方式,来验证我们的理论。将DemoClass.m内容修修改为

#import "DemoClass.h"

typedef void(^VoidBlock)(void);

@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;

@end
VoidBlock globalBlock = ^{};

@implementation DemoClass

- (void)demoFunction{
    VoidBlock stackBlock = ^{};
    stackBlock();
    _heapBlock = ^{};
}

@end

然后,转成C++后,分别对应如下

全局globalBlock

impl.isa = &_NSConcreteGlobalBlock;

栈上stackBlock

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

属性Block

impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;

What the fuck! 怎么属性的block是栈类型的,难道不该是堆类型的吗?

20170416210456590.jpg

到这里,C/C++层面的代码已经无法满足我们的需求了。我们试着把代码转成汇编,一探究竟:

方便分析属性block究竟是怎么实现的,我们修改.m文件

#import "DemoClass.h"
typedef void(^VoidBlock)(void);
@interface DemoClass()
@property (copy, nonatomic) VoidBlock heapBlock;
@end
@implementation DemoClass
- (void)demoFunction{
    _heapBlock = ^{};
}
@end

转换成汇编后,在方法demoFunction部分,我们能看到类似汇编代码

bl  _objc_retainBlock
    adrp    x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGE
    add x8, x8, _OBJC_IVAR_$_DemoClass._heapBlock@PAGEOFF
    .loc    1 0 0                   ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:0:0
    ldr x1, [sp, #8]
    .loc    1 21 5                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:5
    ldrsw       x8, [x8]
    add     x8, x1, x8
    .loc    1 21 16 is_stmt 0       ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
    ldr     x1, [x8]
    str     x0, [x8]
    .loc    1 21 16 discriminator 1 ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/DemoClass.m:21:16
    mov  x0, x1
    bl  _objc_release

也就是说,在方法返回之前,依次调用了

_objc_retainBlock
_objc_release

那么,_objc_retainBlock就是block从栈到堆的黑魔法。

我们通过Runtime的源码来分析这个方法的实现:

id objc_retainBlock(id x) {
    return (id)_Block_copy(x);
}

// Create a heap based copy of a Block or simply add a reference to an existing one.
// This must be paired with Block_release to recover memory, even when running
// under Objective-C Garbage Collection.
BLOCK_EXPORT void *_Block_copy(const void *aBlock)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_2);

到这里我们就清楚了,编译器为我们自动插入了_objc_retainBlock,而这个函数会把栈上的block拷贝到堆上。

Tips: 通常在写属性的时候,block都会声明为copy。这是显式的表示,即使block是栈上的,也会拷贝到堆上。其实在赋值的时候,编译器已经自动帮我们做了这些,所以其实使用strong也可以。

那么,一个临时变量的block会被拷贝到堆上么?

修改demoFunction:

- (void)demoFunction{
    VoidBlock stackBlock = ^{};
}

继续查看汇编:

Ltmp7:
    .loc    1 23 15 prologue_end    ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:23:15
    mov  x0, x8
    bl  _objc_retainBlock
    mov x8, #0
    add x1, sp, #8              ; =8
    str x0, [sp, #8]
    .loc    1 24 1                  ; /Users/hl/Desktop/OCTest/OCTest/Test.m:24:1
    mov  x0, x1
    mov  x1, x8
    bl  _objc_storeStrong
    ldp x29, x30, [sp, #32]     ; 8-byte Folded Reload
    add sp, sp, #48             ; =48
    ret

我们仍然看到了_objc_retainBlock,也就是说即使是一个在函数中的block,在ARC开启的情况下,仍然会拷贝到堆上。

__block

通过之前的讲解,我们知道了block如何捕获外部变量,也知道了block的几种类型。那么block如何修改外部变量呢?

block是不可以直接修改外部变量的,比如

NSInteger variable = 0;
_heapBlock = ^{
    variable = 1;
};

直接这么写,编译器是不会通过的,想想也很简单,因为变量可能在block执行之前就被释放掉了,直接这么赋值会导致野指针。

在OC层面,我们可以通过增加__block关键字,那么加了这个关键字后,实际的C++层面代码是什么样的呢?

- (void)demoFunction{
    __block NSInteger variable = 0;
    VoidBlock stackBlock = ^{
        variable = 1;
    };
}

在转换成C++代码后,如下:

static void _I_DemoClass_demoFunction(DemoClass * self, SEL _cmd) {
    __Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};
    VoidBlock stackBlock = &__DemoClass__demoFunction_block_impl_0(( __DemoClass__demoFunction_block_func_0,
                                                                    &__DemoClass__demoFunction_block_desc_0_DATA,
                                                                    (__Block_byref_variable_0 *)&variable,
                                                                    570425344);
}

可以看到,__block NSInteger variable = 0转换成了一个结构体

__Block_byref_variable_0 variable = {0,&variable, 0, sizeof(__Block_byref_variable_0), 0};

这个结构体定义如下:

struct __Block_byref_variable_0 {
  void *__isa;
__Block_byref_variable_0 *__forwarding;
  int __flags;
  int __size;
  NSInteger variable; //这个是要修改的变量
};

通过初始化我们可以看到

  • __isa指向0

  • __forwarding 指向__Block_byref_variable_0自身

  • __flags为0

  • __size就是结构题的大小

  • variable是我们定义的原始值0

到这里,我们有一点疑惑

  • 为什么要存在一个__forwarding来指向自身呢?

我们来看看block的方法体,也就是这部分

^{
   variable = 1;
 }

转换成C++后:

static void __DemoClass__demoFunction_block_func_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0 *__cself) {
  __Block_byref_variable_0 *variable = __cself->variable; // bound by ref
    variable->__forwarding->variable) = 1;
}

也就是说__forwarding存在的意义就是通过它来访问到变量的地址,如果这个指针一直指向自身,那么它也就没有存在的意义,也就是在将来的某一个时间点,它一定会指向另外一个数据结构

我们在上文中讲到,ARC开启的时候,栈上的block会被复制到堆上。

在没有复制之前:

QQ截图20170418175835.png

复制之后

QQ截图20170418175848.png

这样,我们就清楚原因了:

即使发生了复制,只要修改__forwarding的指向,我们就能够保证栈上和堆上的block都访问同一个对象。

Block对对象的捕获

到这里,我们分析的block都是捕获一个外部值,并不是对象。值和对象最大的区别就是对象有生命周期,对象我们需要考虑引用计数。

修改DemoFunction

- (void)demoFunction{
    NSObject * obj = [[NSObject alloc] init];
    VoidBlock stackBlock = ^{
        [obj description];
    };
    stackBlock();
}

再转换成C++后,我们对比之前捕获NSInteger,发现多了两个生命周期管理函数

static void __DemoClass__demoFunction_block_copy_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*dst, struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
    _Block_object_assign((void*)&dst->obj, (void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

static void __DemoClass__demoFunction_block_dispose_0(struct __DemoClass__demoFunction_block_impl_0*src)
{
    _Block_object_dispose((void*)src->obj, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

我们再查看下Block_object_assign和Block_object_dispose的定义

// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_assign(void *, const void *, const int);
// Used by the compiler. Do not call this function yourself.
BLOCK_EXPORT void _Block_object_dispose(const void *, const int);

也就是说,编译器通过这两个函数来管理Block捕获对象的生命周期。其中

  • _Block_object_assign相当于ARC中的reatain,在block从栈上拷贝到堆上的时候调用

  • _Block_object_dispose相当于ARC中的release,在block堆上废弃的时候调用

总结

  • block在C语言层面就是结构体,结构体存储了函数指针和捕获的变量列表

  • block分为全局,栈上,堆上三种,ARC开启的时候,会自动把栈上的block拷贝到堆上

  • __block变量在C语言层面也是一个结构体

  • block捕获对象的时候会增加对象的引用计数。

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