iOS经典面试题之深入分析block相关高频面试题

一、前言

本文重点来研究一下 objc 的 block，并具体来分析一下以下一些面试题目：
- block 的内部实现，结构体是什么样？
- block 是类吗？有哪些类型？
- 一个 int 变量被 __block 修饰与否的区别？block 的变量如何截获？
- block 在修改 NSMutableArray，需不需要添加 __block？
- block 怎么进行内存管理？
- block 可以用 strong 修饰吗？
- 解决循环引用时，为什么要用 __strong、__weak 修饰？
- block 发生 copy 时机是什么？
- block 访问对象类型的 auto 变量时，在 ARC 和 MRC 下有什么区别？
在回答这些问题之前，需要了解一些 block 背景相关的知识，如下：
- 如何查看 block 的内部实现，也就是说转换成背后真正的 c/c++ 代码的 block 是什么样的？
- block 的转换格式是什么？
- block 原理是什么？
- 关于 block 变量的作用域是什么？

二、Objective-C 转 C++ 的方法

现有一个 TestClass.m 类，其中 block 代码如下：

@interface TestClass ()
@end@implementation TestClass
- (void)testMethods {void (^blockA)(int a) = ^(int a) {NSLog(@"%d",a);};if (blockA) {blockA(1990);}
}
@end

打开终端，cd 到 TestClass.m 所在目录，使用如下命令：

clang -rewrite-objc TestClass.m

就会在当前文件夹内自动生成对应的 TestClass.cpp 文件。如果提示 clang 没有的话，则需要安装，输入如下命令：

   brew install clang-format或者brew link clang-forma然后输入 下面命令 测试是否好使clang-format --help

经过上述转换操作，可以在 TestClass.cpp 中最下面发现如下 C++ 代码：

// @interface TestClass ()
/* @end */// @implementation TestClassstruct __TestClass__testMethods_block_impl_0 {struct __block_impl impl;struct __TestClass__testMethods_block_desc_0* Desc;__TestClass__testMethods_block_impl_0(void *fp, struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 *desc, int flags=0) {impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;impl.Flags = flags;impl.FuncPtr = fp;Desc = desc;}
};static void __TestClass__testMethods_block_func_0(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0 *__cself, int a) {NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_wx_b8tcry0j24dbhr7zlzjq3v340000gn_T_TestClass_ee18d3_mi_0,a);}static struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 {size_t reserved;size_t Block_size;
} __TestClass__testMethods_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0)};static void _I_TestClass_testMethods(TestClass * self, SEL _cmd) {void (*blockA)(int a) = ((void (*)(int))&__TestClass__testMethods_block_impl_0((void *)__TestClass__testMethods_block_func_0, &__TestClass__testMethods_block_desc_0_DATA));if (blockA) {((void (*)(__block_impl *, int))((__block_impl *)blockA)->FuncPtr)((__block_impl *)blockA, 1990);}
}

通过上述代码，可以发现 block 其实是一个结构体类型，底层实现会根据 __类名__方法名_block_impl_下标 (0 代表这个方法或者这个类中第 0 个 block)：

struct __类名__方法名_block_impl_下标

三、关于变量的作用域

c 语言的函数中可能使用的参数变量种类：
- 参数类型
- 自动变量(局部变量)
- 静态变量(静态局部变量)
- 静态全局变量
- 全局变量
由于存储区域特殊，这其中有三种变量是可以在任何时候以任何状态调用的：
- 静态变量
- 静态全局变量
- 全局变量
而其它两种，则是有各自相应的作用域，超过作用域后，会被销毁。

四、block 的内部实现，结构体是什么样子？

block 的内部实现如下：

struct __TestClass__testMethods_block_impl_0 {struct __block_impl impl;                        // 成员变量struct __TestClass__testMethods_block_desc_0* Desc; // desc 结构体声明// 构造函数// fp 函数指针// desc 静态全局变量初始化的 __main_block_desc_ 结构体实例指针// flags block 的负载信息(引用计数和类型信息),按位存储.__TestClass__testMethods_block_impl_0(void *fp, struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 *desc, int flags=0) {impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;impl.Flags = flags;impl.FuncPtr = fp;Desc = desc;}
};
// 将来被调用的block内部的代码：block值被转换为C的函数代码
// 这里，*__cself 是指向Block的值的指针，也就相当于是Block的值它自己(相当于C++里的this，OC里的self)
// __cself 是指向__TestClass__testMethods_block_impl_0结构体实现的指针
// Block结构体就是__TestClass__testMethods_block_impl_0结构体.Block的值就是通过__TestClass__testMethods_block_impl_0构造出来的
static void __TestClass__testMethods_block_func_0(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0 *__cself, int a) {NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_wx_b8tcry0j24dbhr7zlzjq3v340000gn_T_TestClass_9f58f7_mi_0,a);
}static struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 {size_t reserved;size_t Block_size;
} __TestClass__testMethods_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0)};static void _I_TestClass_testMethods(TestClass * self, SEL _cmd) {void (*blockA)(int a) = ((void (*)(int))&__TestClass__testMethods_block_impl_0((void *)__TestClass__testMethods_block_func_0, &__TestClass__testMethods_block_desc_0_DATA));if (blockA) {((void (*)(__block_impl *, int))((__block_impl *)blockA)->FuncPtr)((__block_impl *)blockA, 1990);}
}

可以看得出来 __TestClass__testMethods_block_impl_0 有 3 个部分组成：
- impl 函数指针指向 __TestClass__testMethods_block_impl_0：

struct __block_impl {void *isa;int Flags;int Reserved;  // 今后版本升级所需的区域void *FuncPtr; // 函数指针};

Desc 指向 __TestClass__testMethods_block_impl_0的Desc 指针，用于描述当前这个 block 的附加信息，包括结构体的大小等信息：

static struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 {size_t reserved;   // 今后升级版本所需区域size_t Block_size; // block的大小} __TestClass__testMethods_block_desc_0_DATA = { 0, sizeof(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0)};

__TestClass__testMethods_block_impl_0() 构造函数，也就是该 block 的具体实现：

__TestClass__testMethods_block_impl_0(void *fp, struct __TestClass__testMethods_block_desc_0 *desc, int flags=0) {  impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;  impl.Flags = flags;  impl.FuncPtr = fp;  Desc = desc; }

此结构体中，isa 指针保持这所属类的结构体的实例的指针，struct __TestClass__testMethods_block_impl_0 相当于 Objective-C 类对象的结构体，_NSConcreteStackBlock 相当于 block 的结构体实例，也就是说 block 其实就是 Objective-C 对于闭包的对象实现。

五、block 是类吗？有哪些类型?

block 也可以理解为类，因为它有 isa 指针、block.isa 的类型，包括：
- _NSConcreteGlobalBlock 跟全局变量一样，设置在程序的数据区域（.data）中；
- _NSConcreteStackBlock 栈上（上文的都是栈上 block）；
- _NSConcreteMallocBlock 堆上。
block 的 isa 可以按位运算。

六、一个 int 变量被 __block 修饰与否的区别？block的变量如何截获？

① 被 __block 修饰与否的区别

现有如下示例：

__block int a = 10;
int b = 20;   PrintTwoIntBlock block = ^() {  a -= 10;   printf("%d, %d\n",a,b);
};   block();                // 0 20    a += 20;
b += 30;   printf("%d, %d\n",a,b); // 20 50
block();                // 10 20

通过 __block 修饰 int a，block 体中对这个变量的引用是指针拷贝，它会作为 block 结构体构造参数传入到结构体中且复制这个变量的指针引用，从而达到可以修改变量的作用。
int b 没有被 __block 修饰，block 内部对 b 是值 copy，因此在 block 内部修改 b 而不会影响外部 b 的变化。

② block的变量如何截获？

通过如下代码，来观察要一下变量的捕获：

blk_t blk;
{    id array = [NSMutableArray new];   blk = [^(id object){       [array addObject:object];       NSLog(@"array count = %ld",[array count]);  } copy];
}
blk([NSObject new]);
blk([NSObject new]);
blk([NSObject new]);

运行结果：

block_demo[28963:1629127] array count = 1
block_demo[28963:1629127] array count = 2
block_demo[28963:1629127] array count = 3

把上面的代码翻译成 C++：

struct __main_block_impl_0 {  struct __block_impl impl;  struct __main_block_desc_0* Desc;  id array; // 截获的对象  __main_block_impl_0(void *fp, struct __main_block_desc_0 *desc, id _array, int flags=0) : array(_array) {   impl.isa = &_NSConcreteStackBlock;    impl.Flags = flags;    impl.FuncPtr = fp;    Desc = desc;}
};

在 Objc 中，C 结构体里不能含有被 __strong 修饰的变量，因为编译器不知道应该何时初始化和废弃 C 结构体。但是 Objc 的运行时库能够准确把握 block 从栈复制到堆，以及堆上的 block 被废弃的时机，实现上是通过 __TestClass__testMethods_block_copy_0 函数和 __TestClass__testMethods_block_dispose_0 函数进行：

static void __TestClass__testMethods_block_copy_0(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0*dst, struct __TestClass__testMethods_block_impl_0*src) {   _Block_object_assign((void*)&dst->array, (void*)src->array, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);}
static void __TestClass__testMethods_block_dispose_0(struct __TestClass__testMethods_block_impl_0*src) {   _Block_object_dispose((void*)src->array, 3/*BLOCK_FIELD_IS_OBJECT*/);
}

- _Block_object_assign 相当于 retain 操作，将对象赋值在对象类型的结构体成员变量中；
- _Block_object_dispose 相当于 release 操作。
这两个函数调用的时机是在什么时候呢？

函数	被调用时机
__TestClass__testMethods_block_copy_0	从栈复制到堆时
__TestClass__testMethods_block_dispose_0	堆上的Block被废弃时

③ 什么时候栈上 block 会被复制到堆呢？

调用 block 的 copy 函数时；
block 作为函数返回值返回时；
将 block 赋值给附有 __strong 修饰符 id 类型的类或者 block 类型成员变量时；
方法中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或者 GCD 的 API 中传递 block 时。

④ block 什么时候被废弃？

堆上的 block 被释放后，谁都不再持有 block 时调用 dispose 函数；

七、block 在修改 NSMutableArray 需不需要添加 __block？

修改 NSMutableArray 的存储内容的话，是不需要添加 __block 修饰的。
修改 NSMutableArray 对象的本身，那必须添加 __block 修饰。

八、block 怎么进行内存管理?

在上文中的 block 的构造函数 __TestClass__testMethods_block_impl_0 中的 isa 指针指向的是 &_NSConcreteStackBlock，它表示当前的 block 位于栈区中。

block内存操作	存储域/存储位置	copy操作的影响
_NSConcreteGlobalBlock	程序的数据区域	什么也不做
_NSConcreteStackBlock	栈	从栈拷贝到堆
_NSConcreteMallocBlock	堆	引用计数增加

全局 block：_NSConcreteGlobalBlock 的结构体实例设置在程序的数据存储区，所以可以在程序的任意位置通过指针来访问，它的产生条件：
- 记述全局变量的地方有 block 语法时；
- block 不截获的自动变量。
- 以上两个条件只要满足一个就可以产生全局 block。
栈 block：_NSConcreteStackBlock 在生成 block 以后，如果这个 block 不是全局 block，那它就是栈 block，生命周期在其所属的变量作用域内（也就是说如果销毁取决于所属的变量作用域）。如果 block 变量和 __block 变量复制到了堆上以后，则不再会受到变量作用域结束的影响，因为它变成了堆 block。
堆 block：_NSConcreteMallocBlock 将栈 block 复制到堆以后，block 结构体的 isa 成员变量变成_NSConcreteMallocBlock。

九、block 可以用 strong 修饰吗?

在 ARC 中可以，因为在 ARC 环境中的 block 只能在堆内存或全局内存中，因此不涉及到从栈拷贝到堆中的操作。
在 MRC 中不行，因为要有拷贝过程，如果执行 copy 用 strong 的话会 crash，strong 是 ARC 中引入的关键字，如果使用 retain 相当于忽视了 block 的 copy 过程。

十、解决循环引用时，为什么要用 strong、weak 修饰 block?

首先 block 捕获变量的时候，结构体构造传入了self，造成了默认的引用关系，因此一般在 block 外部对操作对象会加上 __weak；
在 block 内部使用 __strong 修饰符的对象类型的自动变量，那么当 block 从栈复制到堆的时候，该对象就会被 block 所持有，但是持有的是上面加了 __weak，所以形成了彼消此涨的链条，刚好能解决 block 延迟销毁的时候对外部对象生命周期造成的影响，如果不这样做很容易造成循环引用。

十一、block 发生 copy 时机?

在 ARC 中，编译器将创建在栈中 block 会自动拷贝到堆内存中，而 block 作为方法或函数的参数传递时，编译器不会做 copy 操作。
- 调用 block 的 copy 函数时；
- block 作为函数返回值返回时；
- 将 block 赋值给附有 __strong 修饰符 id 类型的类或者 block 类型成员变量时；
- 方法中含有 usingBlock 的 Cocoa 框架方法或者 GCD 的 API 中传递 block 时。

十二、block 访问对象类型的 auto 变量时，在 ARC 和 MRC 下有什么区别?

在 ARC 下，栈区创建的 block 会自动 copy 到堆区；而 MRC 下，就不会自动拷贝，需要手动调用 copy 函数。
block 的 copy 操作，当 block 从栈区 copy 到堆区的过程中，也会对 block 内部访问的外部变量进行处理，它会调用 block_object_assign 函数对变量进行处理，根据外部变量是 strong 还会 weak 对 block 内部捕获的变量进行引用计数 +1 或 -1，从而达到强引用或弱引用的作用。
因此在 ARC 下，由于 block 被自动 copy 到了堆区，从而对外部的对象进行强引用，如果这个对象同样强引用这个 block，就会形成循环引用。
在 MRC 下，由于访问的外部变量是 auto 修饰，所以这个 block 属于栈区的，如果不对 block 手动进行 copy 操作，在运行完 block 的定义代码段后，block 就会被释放，而由于没有进行 copy 操作，所以这个变量也不会经过 block_object_assign 处理，也就不会对变量强引用。
简而言之，ARC 下会对这个对象强引用，而 MRC 下则不会。

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