一道Block面试题的深刻挖掘
0. 序言
最近看到了一道Block的面试题，还蛮有意思的，来给你们分享一下。ios
本文从一道Block面试题出发，层层深刻到达Block原理的讲解，把面试题吃得透透的。面试
题外话：objective-c
不少人以为Block的定义很怪异，很难记住。但其实和C语言的函数指针的定义对比一下，你很容易就能够记住。架构
// Block
returnType (^blockName)(parameterTypes)
// 函数指针
returnType (*c_func)(parameterTypes)
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例如输入和返回参数都是字符串：框架
(char *) (*c_func)(const char *);
(NSString *) (^block)(NSString *);
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好了，下面正式开始~iphone
1. 面试题
1.1 问题1
如下代码存在内存泄露么？函数
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
}];
}
- (void)doSomething {
}
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答案是存在！flex
1.1.1 分析
-
block中，咱们使用到的外部变量有self和center，center使用了__weak说明符确定没问题。ui -
center持有token，token持有block，block持有self，也就是说token不释放，self确定无法释放。spa -
咱们注意到
[center removeObserver:token];这步会把token从center中移除掉。按理说，center和self是否是就能够被释放了呢？
咱们来看看编译器怎么说：
编译器告诉咱们，token在被block捕获以前没有初始化！[center removeObserver:token];是无法正确移除token的，因此self也无法被释放！
为何没有被初始化？
由于token在后面的方法执行完才会被返回。方法执行的时候token尚未被返回，因此捕获到的是一个未初始化的值！
1.2 问题2
如下代码存在内存泄露么？
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
}];
}
- (void)doSomething {
}
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此次代码在token以前加入了__block说明符。
提示：此次编译器没有警告说token没有被初始化了。
答案是仍是存在！
1.2.1 分析
首先，证实token的值是正确的，同时你们也能够看到token确实是持有block的。
那么，为何还会泄露呢？
由于，虽然center对token的持有已经没有了，token如今还被block持有。
可能还有同窗会问：
加入了__block说明符，token对象不是仍是center返回以后才能拿到么，为何加了以后就没问题了呢？
缘由会在Block原理部分详细说明。
1.3 问题3
如下代码存在内存泄露么？
- 不存在
- 存在
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
token = nil;
}];
}
- (void)doSomething {
}
- (void)dealloc {
NSLog(@"%s", __FUNCTION__);
}
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答案是不存在！
1.3.1 分析
咱们能够验证一下：
能够看到，咱们添加token = nil;以后，ViewController被正确释放了。这一步，解除了token与block之间的循环引用，因此正确释放了。
有人可能会说：
使用__weak typeof(self) wkSelf = self;就能够解决self不释放的问题。
确实这能够解决self不释放的问题，可是这里仍然存在内存泄露！
2. Block的原理
虽然面试题解决了，可是还有几个问题没有弄清楚：
- 为何没有
__block说明符token未被初始化，而有这个说明符以后就没问题了呢？ token和block为何会造成循环引用呢？
2.1 Block捕获自动变量
刚刚的面试题比较复杂，咱们先来看一个简单的：
Block转换为C函数以后，Block中使用的自动变量会被做为成员变量追加到 __X_block_impl_Y结构体中，其中 X通常是函数名， Y是第几个Block，好比main函数中的第0个结构体： __main_block_impl_0。
typedef void (^MyBlock)(void);
int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool
{
int age = 10;
MyBlock block = ^{
NSLog(@"age = %d", age);
};
age = 18;
block();
}
return 0;
}
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顺便说一下，这个输出：age = 10
在命令行中对这个文件进行一下处理：
clang -w -rewrite-objc main.m
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或者
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc main.m
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区别是下面指定了SDK和架构代码会少一点。
处理完以后会生成一个main.cpp的文件，打开后会发现代码不少，不要怕。搜索int main就能看到熟悉的代码了。
int main(int argc, const char * argv[])
{
/* @autoreleasepool */
{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
int age = 10;
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, age));
age = 18;
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;
}
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下面是main函数中涉及到的一些结构体：
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl; //block的函数的imp结构体
struct __main_block_desc_0* Desc; // block的信息
int age; // 值引用的age值
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, int _age, int flags=0) : age(_age) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock; // 栈类型的block
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp; // 传入了函数具体的imp指针
Desc = desc;
}
};
struct __block_impl {
void *isa; // block的类型：全局、栈、堆
int Flags;
int Reserved;
void *FuncPtr; // 函数的指针！就是经过它调用block的！
};
static struct __main_block_desc_0 { // block的信息
size_t reserved;
size_t Block_size; // block的大小
} __main_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __main_block_impl_0)};
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有了这些信息，咱们再看看
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, age));
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能够看到，block初始化的时候age是值传递，因此block结构体中age=10，因此打印的是age = 10。
2.2 __block说明符
Block中修改捕获的自动变量有两种方法：
-
使用静态变量、静态全局变量、全局变量
从Block语法转化为C语言函数中访问静态全局变量、全局变量，没有任何不一样，能够直接访问。而静态变量使用的是静态变量的指针来进行访问。
自动变量不能采用静态变量的作法进行访问。缘由是，自动变量是在存储在栈上的，当超出其做用域时，会被栈释放。而静态变量是存储在堆上的，超出做用域时，静态变量没有被释放，因此还能够访问。
-
添加 __block修饰符
__block存储域类说明符。存储域说明符会指定变量存储的域，如栈auto、堆static、全局extern，寄存器register。
好比刚刚的代码加上 __block说明符：
typedef void (^MyBlock)(void);
int main(int argc, const char * argv[])
{
@autoreleasepool
{
int __block age = 10;
MyBlock block = ^{
age = 18;
};
block();
}
return 0;
}
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在命令行中对这个文件进行一下处理：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc main.m
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咱们看到main函数发生了变化：
-
原来的
age变量：int age = 10; -
如今的
age变量：__Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};。
int main(int argc, const char * argv[])
{
/* @autoreleasepool */
{ __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
__Block_byref_age_0 age = {(void*)0,(__Block_byref_age_0 *)&age, 0, sizeof(__Block_byref_age_0), 10};
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));
((void (*)(__block_impl *))((__block_impl *)block)->FuncPtr)((__block_impl *)block);
}
return 0;
}
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原来咱们知道添加 __block说明符，咱们就能够在block里面修改自动变量了。
恭喜你，如今你达到了第二层！__block说明符，其实会把自动变量包含到一个结构体中。
这也就解释了问题1为何加入__block说明符，token能够正确拿到值。
MyBlock block = ((void (*)())&__main_block_impl_0((void *)__main_block_func_0, &__main_block_desc_0_DATA, (__Block_byref_age_0 *)&age, 570425344));
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此次block初始化的过程当中，把age这个结构体传入到了block结构体中，如今就变成了指针引用。
struct __Block_byref_age_0 {
void *__isa; //isa指针
__Block_byref_age_0 *__forwarding; // 指向本身的指针
int __flags; // 标记
int __size; // 结构体大小
int age; // 成员变量，存储age值
};
struct __main_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __main_block_desc_0* Desc;
__Block_byref_age_0 *age; // 结构体指针引用
__main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, __Block_byref_age_0 *_age, int flags=0) : age(_age->__forwarding) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
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咱们再来看看block中是如何修改age对应的值：
static void __main_block_func_0(struct __main_block_impl_0 *__cself) {
__Block_byref_age_0 *age = __cself->age; // 经过结构体的self指针拿到age结构体的指针
(age->__forwarding->age) = 18; // 经过age结构体指针修改age值
}
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看到这里可能不明白__forwarding的做用，咱们以后再讲。如今知道是age是指针引用修改为功的就能够了。
2.3 Block存储域
从C代码中咱们能够看到Block的是指是Block结构体实例，__block变量实质是栈上__block变量结构体实例。从初始化函数中咱们能够看到，impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;，即以前咱们使用的是栈Block。
其实，Block有3中类型：
- _NSConcreteGlobalBlock类对象存储在程序的数据区(.data区)。
- _NSConcreteStackBlock类对象存储在栈上。
- _NSConcreteMallocBlock类对象存储在堆上。
void (^blk)(void) = ^{
NSLog(@"Global Block");
};
int main() {
blk();
NSLog(@"%@",[blk class]);//打印：__NSGlobalBlock__
}
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全局Block确定是存储在全局数据区的，可是在函数栈上建立的Block，若是没有捕获自动变量，Block的结构实例仍是 _NSConcreteGlobalBlock，而不是 _NSConcreteStackBlock：
void (^blk0)(void) = ^{ // 没有截获自动变量的Block
NSLog(@"Stack Block");
};
blk0();
NSLog(@"%@",[blk0 class]); // 打印:__NSGlobalBlock__
int i = 1;
void (^blk1)(void) = ^{ // 截获自动变量i的Block
NSLog(@"Capture:%d", i);
};
blk1();
NSLog(@"%@",[blk1 class]); // 打印：__NSMallocBlock__
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能够看到没有捕获自动变量的Block打印的类是NSGlobalBlock，表示存储在全局数据区。 但为何捕获自动变量的Block打印的类倒是设置在堆上的NSMallocBlock，而非栈上的NSStackBlock？这个问题稍后解释。
设置在栈上的Block，若是超出做用域，Block就会被释放。若 __block变量也配置在栈上，也会有被释放的问题。因此， copy方法调用时，__block变量也被复制到堆上，同时impl.isa = &_NSConcreteMallocBlock;。复制以后，栈上 __block变量的__forwarding指针会指向堆上的对象。因 此 __block变量不管被分配在栈上仍是堆上都可以正确访问。
编译器如何判断什么时候须要进行copy操做呢？
在ARC开启时，自动判断进行 copy：
- 手动调用copy。
- 将Block做为函数参数返回值返回时，编译器会自动进行 copy。
- 将Block赋值给 copy修饰的id类或者Block类型成员变量，或者
__strong修饰的自动变量。 - 方法名含有
usingBlock的Cocoa框架方法或GCD相关API传递Block。
若是不能自动 copy，则须要咱们手动调用 copy方法将其复制到堆上。好比向不包括上面提到的方法或函数的参数中传递Block时。
ARC环境下，返回一个对象时会先将该对象复制给一个临时实例指针，而后进行retain操做，再返回对象指针。runtime/objc-arr.mm提到，Block的retain操做objc_retainBlock函数其实是Block_copy函数。在实行retain操做objc_retainBlock后，栈上的Block会被复制到堆上，同时返回堆上的地址做为指针赋值给临时变量。
2.4 __block变量存储域
当Block从栈复制到堆上时候，__block变量也被复制到堆上并被Block持有。
- 若此时 __block变量已经在堆上，则被该Block持有。
- 若配置在堆上的Block被释放，则它所持有的 __block变量也会被释放。
__block int val = 0;
void (^block)(void) = [^{ ++val; } copy];
++val;
block();
复制代码
利用 copy操做，Block和 __block变量都从栈上被复制到了堆上。不管是{ ++val; }仍是++val;都转换成了++(val->__forwarding->val);。
Block中的变量val为复制到堆上的 __block变量结构体实例，而Block外的变量val则为复制前栈上的 __block变量结构体实例，但这个结构体的__forwarding成员变量指向堆上的 __block变量结构体实例。因此，不管是是在Block内部仍是外部使用 __block变量，均可以顺利访问同一个 __block变量。
3. 面试题C代码
下面咱们看看面试题的C代码。
@interface Test : NSObject
@end
@implementation Test
- (void)test_notification {
NSNotificationCenter *__weak center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
id __block token = [center addObserverForName:@"com.demo.perform.once"
object:nil
queue:[NSOperationQueue mainQueue]
usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) {
[self doSomething];
[center removeObserver:token];
token = nil;
}];
}
- (void)doSomething {
}
@end
复制代码
3.1 重写
在命令行中对这个文件进行一下处理，由于用到了 __weak说明符，须要额外指定一些参数：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -w -rewrite-objc -fobjc-arc -mios-version-min=8.0.0 -fobjc-runtime=ios-8.0.0 main.m
复制代码
这个会更复杂一些，但咱们只看重要的部分：
struct __Block_byref_token_0 {
void *__isa;
__Block_byref_token_0 *__forwarding;
int __flags;
int __size;
void (*__Block_byref_id_object_copy)(void*, void*);
void (*__Block_byref_id_object_dispose)(void*);
__strong id token; // id类型的token变量 (strong)
};
struct __Test__test_notification_block_impl_0 {
struct __block_impl impl;
struct __Test__test_notification_block_desc_0* Desc;
Test *const __strong self; // 被捕获的self (strong)
NSNotificationCenter *__weak center; // center对象 (weak)
__Block_byref_token_0 *token; // token结构体的指针
__Test__test_notification_block_impl_0(void *fp, struct __Test__test_notification_block_desc_0 *desc, Test *const __strong _self, NSNotificationCenter *__weak _center, __Block_byref_token_0 *_token, int flags=0) : self(_self), center(_center), token(_token->__forwarding) {
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
impl.Flags = flags;
impl.FuncPtr = fp;
Desc = desc;
}
};
复制代码
如今咱们看到block结构体 __Test__test_notification_block_impl_0中持有token，同时以前咱们看到token也是持有block的，因此形成了循环引用。
这也就回答了问题2。
下面咱们看看block的IMP函数是如何解决循环引用问题的：
static void __Test__test_notification_block_func_0(struct __Test__test_notification_block_impl_0 *__cself, NSNotification * _Nonnull __strong note) {
__Block_byref_token_0 *token = __cself->token; // bound by ref
Test *const __strong self = __cself->self; // bound by copy
NSNotificationCenter *__weak center = __cself->center; // bound by copy
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("doSomething"));
((void (*)(id, SEL, id _Nonnull __strong))(void *)objc_msgSend)((id)center, sel_registerName("removeObserver:"), (id)(token->__forwarding->token));
(token->__forwarding->token) = __null;
}
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能够看到，token = nil;被转换为了(token->__forwarding->token) = __null;，至关于block对象对token的持有解除了！若是你以为看不太明白，我再转换一下：
(__cself->token->__forwarding->token) = __null; // __cself为block结构体指针
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3.2 Block的类型
细心的同窗可能发现：
impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;
复制代码
这是一个栈类型的block呀，声明周期结束不是就该被系统回收释放了么。咱们使用了ARC同时咱们调用是方法名中含有usingBlock，会主动触发 copy操做，将其复制到堆上。
4. 总结
Block最常问的就是循环引用、内存泄露问题。
注意要点：
- __weak说明符的使用
- __block说明符的使用
- 谁持有谁
- 如何解除循环引用
另外，须要再强调一下的是：
-
面试题中的block代码若是一次都没有执行也是会内存泄露的！
-
可能有人会说使用
__weak typeof(self) wkSelf = self;就能够解决self不释放的问题。确实这能够解决
self不释放的问题，可是这里 仍然存在内存泄露！ 咱们仍是须要从根上解决这个问题。
补充：
上面讲的时候集中在说token和block的循环引用，ViewController的问题我简单带过了，可能同窗们看的时候没有注意到。
我在这里专门拎出来讲一下：
token和block循环引用，同时block持有self(ViewController)，致使ViewController也无法释放。
若是但愿优先释放ViewController(无论block是否执行)，最好给ViewController加上__weak说明符。
此外，破除token和block的循环引用，实际有两种方法：
- 手动设置
token = nil;。 token也使用__weak说明符id __block __weak token。
注意：
如下说法不够严谨，也可能存在问题：
最简单粗暴的解决办法：你们都
__weak。NSNotificationCenter *__weak wkCenter = [NSNotificationCenter >defaultCenter]; __weak typeof(self) wkSelf = self; id __block __weak wkToken = [wkCenter addObserverForName:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification object:nil queue:[NSOperationQueue mainQueue] usingBlock:^(NSNotification * _Nonnull note) { [wkSelf doSomething]; [wkCenter removeObserver:wkToken]; }]; 复制代码这个问题具体要看
NSNotificationCenter具体是怎么实现的。token使用__weak说明符，可是若是NSNotificationCenter没有持有token，在函数做用域结束时，token会被销毁。虽然不会有循环引用问题，可是可能致使没法移除这个观察者的问题。
若是以为本文对你有所帮助，给我点个赞吧~
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