浅谈 block(1) – clang 改写后的 block 结构

这几天为了巩固知识,从 iOS 的各个知识点开始学习,希望自己对每一个知识理解的更加深入的了解。这次来分享一下 block 的学习笔记。

block 简介

block 被当做扩展特性而被加入 GCC 编译器中的。自从 OS X 10.4 和 iOS 4.0 之后,这个特性被加入了 Clang 中。因此我们今天使用的 block 在 C、C++、Objective-C 和 Objective-C++ 中均可使用。

对于 block 的语法,只放一张图即可。在之后的 block 系列文章中会详细说明其用法。

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C 中的 block

说起 Xcode 的默认编译器 clang ,不得不提及 clang 在整个 编译 – 链接 过程中所起到的作用。在编译期, clang 首先对 Objective-C 代码做分析检查,确保代码中没有任何明显的错误,然后将其转换成为低级的类汇编代码,即我们经常说的中间码

在学习 Objective-C 中的 block ,会经常使用的 clang 的 -rewrite-objc 命令来将 block 的语法转换成C语言的 struct 结构,从而供我们学习参考。

先从最简单的C语言中的 block 看起:

然后使用 clang -rewrite-objc 命令对 blockTest.c 进行 block 语法转换,得到 blockTest.cpp 这个文件。

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在精简代码后,选取出主要关注的代码片段。

代码可能有些难懂,逐一来分析。

这个函数应该是和源代码最相近的部分。并且,源代码中的 block 名被重新组合成一种新的字符串形式,而生成了这个函数的函数名。在参数上发现其实这个参数名又是一种新的字符串组合形式(__xxx_block_impl_y:这里的 xxx 是 block 名称,y 是该函数出现的顺序值)。

继续来看看参数 __cself 的声明:

第一个成员impl,是 __block_impl 类型,结构体在生成文件中也是出现的:

  • isa指针:指向一个类对象。在非 GC 模式下有三种类型:_NSConcreteStackBlock_NSConcreteGlobalBlock_NSConcreteMallocBlock
  • Flags:block 的负载信息(引用计数和类型信息),按位存储。在下面有详细说明。
  • Reserved:保留变量。
  • FuncPtr:指向 block 函数地址的指针。

在 runtime 的源码中,对于 Flags 的枚举要比文档中描述的更加详细,其定义如下。

在 clang 的官方文档中,有这么一句话:

The flags field is set to zero unless there are variables imported into the Block that need helper functions for program level Block_copy() and Block_release() operations, in which case the (1

也就是说,一般情况下,一个 block 的 flags 成员默认设置为 0。如果当 block 需要 Block_copy()Block_release 这类拷贝辅助函数,则会设置成 1 ,也就是 BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE 类型。可以搜索到大量讲述 Block_copy 方法的博文,其中涉及到了 BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE

总结一下枚举类的用法,前 16 位即起到标记作用,又可记录引用计数:

  • BLOCK_DEALLOCATING:释放标记。一般常用 BLOCK_NEEDS_FREE 做 位与 操作,一同传入 Flags ,告知该 block 可释放。
  • BLOCK_REFCOUNT_MASK:一般参与判断引用计数,是一个可选用参数。
  • BLOCK_NEEDS_FREE:通过设置该枚举位,来告知该 block 可释放。意在说明 block 是 heap block ,即我们常说的 _NSConcreteMallocBlock
  • BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE:是否拥有拷贝辅助函数(a copy helper function)。
  • BLOCK_HAS_CTOR:是否拥有 block 析构函数(dispose function)。
  • BLOCK_IS_GC:是否启用 GC 机制(Garbage Collection)。
  • BLOCK_HAS_SIGNATURE:与 BLOCK_USE_STRET 相对,判断是否当前 block 拥有一个签名。用于 runtime 时动态调用。

我们返回结构体 __outside_block_impl_0 继续看第二个成员 Desc 指针。以下是 __outside_block_desc_0 结构体声明。

其中两个成员也可以从名字看出,描述的是 block 的预留区空间和 block 的大小。其中size_t类型在64位环境下应为long unsigned int,该宏定义在 C标准库 的 stddef.h 中。__outside_block_desc_0_DATA 是该结构体类型的环境量,使用成员对齐方式进行快捷构造。

再来看最重要的部分,即 __outside_block_impl_0 的构造函数。

这里的所有过程除了 &_NSConcreteGlobalBlock 以外都比较好理解。先跳过这部分,放在文章最后进行分析。继续看一下入口函数 main()。

去掉强制转换部分,增强可读性:

也就是说,在执行我们定义的 block 的时候,会访问 impl 的 FuncPrt 这个函数指针。而在初始化(析构)时,这个函数会被指向 block 的执行函数体,也就是一开始分析的 __outside_block_func_0 方法。并且传入自身为参数。所以上文所提及的 __cself 参数,其实可以理解为面向对象中的所属对象,在 C++ 中我们常用 this 指针描述;而在 Objective-C 中,常常使用 self 。

写到这里,笔者有一些很有意思的联想。在 Objective-C 的设计中,为了突出对象与方法间的所属关系,经常会传递一个指针作为参数。例如在许多 Foundation 框架中的 Delegate 方法,第一个参数往往是委托方法的发起者本身。

最后再来看一下之前略过的 _NSConcreteGlobalBlock 。

对于任意一个对象的 isa 指针,其指向的对象是自身的类对象;而类对象的 isa 指针,指向的是元类(meta class)。而 block 虽然也是对象,但其结构是异于 NSObject 的。最新版本的 object 结构如下:

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其中 object 的 isa 指针是从 objc_objcet 中继承而来的。而 block 为了模拟 object 结构,也用到了 isa 对其进行了分类。其中 _NSConcreteGlobalBlock 就是其中之一。

关于 block 类型将会在 block 系列其他文中介绍,这里由于我们的 block 是处在全局位置,所以其类型为 _NSConcreteGlobalBlock。

在学习 C 中的 block ,通过 clang 的语义转换将 block 语法使用 C 语言描述,使得我们更进一步的深入学习 block 的内部实现。

对于 clang -rewrite-objc 一种误区

很多时候,会想当然的认为,在编译期,clang 对代码进行语义判断之后,会像 -rewrite-objc 一样对代码进行转译成 C 语言,进而转换成中间码。但是,该命令并不能代表编译后所执行的代码

在巧哥很久之前谈Objective-C Block的实现的文中,有这么一个代码片段:

在使用 -rewrite-objc 进行语法转换后,所显示的 block 类型为 _NSConcreteStackBlock 。而根据我们对于 block 的认知,当 block 没有引用外部的变量对象时,其类型应为 _NSConcreteGlobalBlock。难道,clang 对于 Objective-C 中的 block 和 C 中的 block 处理,会有差异吗?其实不是的,我们来做这个实验:

从输出结果上看,两个 block 被存储在同一区域,也就是 .data 常量区。

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可是在 main 函数内声明的 block 类型,通过 clang -rewrite-objc 工具转换后仍为 _NSConcreteStackBlock 栈存储 block 类型。从这个侧面,可以明白其实 clang 对语法的解释转换,不一定出现在编译过程中。而在编译期间转换成中间码的过程中,在新版本的 clang 编译器已经不需要解释成c的语法进行过度,从而翻译成中间码。而是,在语法检测后,直接转至中间码,提交至 llvm 进行链接处理。

所以,通过 clang -rewrite-objc 命令,仅将扩展语法通过可读性更高的 C 语法进行改写,而不是编译期中的子编译过程。我们仅仅通过他来了解 block 真正的结构就已经足够了。

尾声

这篇文章讲述了 block 的结构以及指向 block 函数体的具体方式。在以后的 block 系列学习笔记中,还会继续记录 block 类型、 block 使用等相关知识。


参考资料

A look inside blocks (Block_copy)

clang官方文档:block 扩展语法

若想查看更多的iOS Source Probe文章,收录在这个Github仓库中

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