本文的内容主要是基于Clang编译器的官方文档所写。
在开始探索Block的本质之前，大家先试着分析一下，下面的代码会输出什么：
void main() { |
如果你对输出结果不是那么有把握的话，那么相信通过今天的这篇文章，你会有一个明确的答案。
Clang
先说些题外话，什么是Clang？Clang是C++编写的编译器。我们知道，我们平常代码所写的任何程序，最终都需要通过编译器转换成与语言无关的机器二进制代码。而Clang，则是支持/C++/Objective-C/Objective-C++的编译器。那我们在做OC开发时，可能也会听说LLVM编译器，那么Clang和LLVM之间是什么关系呢？
它们的关系如下图所示：
LLVM架构
Clang是编译器的前端，它会分析具体的编程语言，然后用于生成与机器无关的中间代码。而LLVM是编译器的后端，与具体编程语言无关，而是会去分析统一的中间代码，生成符合对应机器的目标程序。
这样拆分前端后端的好处在于，前后端可以独立的替换，便于编译器的优化。
关于Clang，我们了解这些就足够了。
Block的本质
回到Block上来。我们在使用Block语法时，总会感觉到有些奇怪：
^{ |
这么一个^{}是什么鬼？似乎在别的语言中也没有见过这么个关键字定义。其实，^{}对于Clang编译器来说，仅仅是一个语言标记，它会告诉Clang，这里我需要定义一个Block类型的结构体。
而Clang发现这个语言标记时，会将^{}这么一个奇怪的定义，转换为C语言中的结构体。经过Clang转换后的Block，其形式是这样的：
struct Block_literal_1 { |
笔者将Block结构体定义分成了三个部分：
- Block基本信息以及 invoke函数指针
- Block descriptor指针
- Block所截取的外部变量
在这里我们得出结论：Block的本质是一个C语言的struct。
Block对应的结构体
上面探讨了Block的本质是一个struct，接下来我们就来详细看一下这个 Block struct的定义。
Block基本信息以及Block descriptor
struct Block_literal_1 { |
我们先来看Block struct的第一部分和第二部分。至于Block的第三部分，外部变量的截取，我们会在下面单独的章节进行讨论。
当我们声明一个Block时，对应的Block struct会被如下初始化：
系统会声明并初始化一个Block descriptor结构体。初始化Block descriptor步骤如下
a. Block descriptor 的size部分会被设置为Block结构体的大小
b. copy_helper 和 dispose_helper函数指针会被设置为对应的函数指针（如果需要这两个helper函数的话）系统初始化Block 结构体。 初始化Block 结构体的步骤如下:
a. isa部分会被设置为__NSGlobalBlock__/__NSMallocBlock__/__NSStackBlock__所对应的地址。注意这里是地址，而不是NSMallocBlock这些变量。
b. flags 会被置为对应的flag数值。比如，如果Block struct需要copy，dispose helper函数时，响应的flag会被置位。同时，flags还有标志Block ABI版本的功能。
c. 设置invoke函数指针指向对应的函数。该函数的第一个参数是Block struct本身的指针，而其余的参数则是Block执行时外部要传入的参数（如果有的话）
举个例子，对于下面的Block：
^{ |
Clang会创建如下内容：
struct __block_literal_1 { |
那么Block struct将会如下被初始化：
struct __block_literal_1 _block_literal = { |
这是Clang文档给出的官方例子，但是我们这里不要去纠结flags究竟是设置的什么，因为根据本人的测试，其flags的值并不是1<<29。
这里有个问题，就是什么时候isa会被设为&__NSGlobalBlock__/&__NSMallocBlock__/&__NSStackBlock__呢？
- 当Block中没有引用外部变量，或引用了全局变量，const 标量或static变量时，Block的isa会被设置为
&__NSGlobalBlock__。这时的Block生命周期是伴随程序始终的。 &__NSStackBlock__表示这个block,是在栈上面分配的，出了栈就会消亡。使用了外部栈变量，就会是__NSStackBlock__类型。&__NSMallocBlock__表示Block复制到堆上面了，可以存储下来，以后使用。当Block引用了外部的OC对象，Block对象或用__block修饰的变量时，Block会被设置为&__NSMallocBlock__类型。这里有一点要注意，在ARC的情况下。只要将block赋值给变量，就自动帮你复制了。也就是说，如果将一个栈上的block赋值给另一个block变量，则被赋值的block变量类型是 &__NSMallocBlock__ 类型。
如下面代码：
int a = 13; |
输出为：
而对于const类型的引用，
const int a = 13; // 这里是const引用 |
输出为：
这是因为对于Global，不必需要再在堆上开辟一块内存。
Block的外部变量截取
理解Block的关键，在于理解Block是如何处理外部变量的。
我们先来想一想，Block中会截取那些类型的外部变量：
- 全局/静态变量
- 自动（auto）存储类型
- Block类型
- NSObject类型
- __block修饰的变量
截取全局/静态类型变量
对于全局/静态变量，Block会直接引用这类变量，不会copy。 例如，
static int a = 13;
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSLog(@"Outside Block, static int a address is %p", &a);
^{
NSLog(@"Inside Block, static int a address is %p", &a);
}();
}输出为：
在Block 外和Block内，static int a的地址是一样的，Block并没有做特殊的处理。
截取自动存储类型变量
所谓自动存储类型，指的是auto类型。我们可以理解为栈上的变量(Block类型、__block、NSObject类型除外)，其内存会有系统自动释放。
对于auto类型的变量截取，Clang文档有如下描述：
Variables of auto storage class are imported as const copies.
也就是说，auto类型会在Block中用const
copy一份。也就是说Block内、外是完全不同的两个变量。
我们做个测试：
int b = 12; |
输出为：
可以看到，在Block外和Block内部，表面上同样的b变量，其地址是不一样的。究其原因，就是因为在Block内部，系统会默默的const copy一份b。
这时候，Block的数据结构是这样的：
int x = 10; |
一般的，对于标量类型（int, float, bool等基本类型），struct，unions和函数指针类型，都会采用const copy的方式，将Block外部的变量拷贝到Block内部。
这里需要注意一点，在iOS系统中，当我们把一个stack
上的Block赋值给一个Block变量时：
void (^vv)(void) = ^{ printf("x is %d", x); } |
会默认调用Block的copy方法，即，上面实际上是如下代码：
void (^vv)(void) = [^{ printf("x is %d", x); } copy]; |
这样得到的vv，是一个在堆上的Block变量。这时候再输出vv中x的地址，会得到一个堆上的地址。
因此，我们在做实验的时候，不要输出对拷贝后的Block中变量地址，而应该直接输出Block中的地址：
^{ |
上面代码中并没有赋值，因此会输出栈上的a的const copy地址。
截取Block类型变量
对于截取Block类型的变量，在Block内部，会保留const copy其Block指针。
如下代码：
int a4 = 13; |
输出为：
这里可以看到，对于Block变量，existingBlock（注意，这个existingBlock变量是一个Block指针，而不是Block本身）被const copy了一份到Block中。而对于Block指针所指向的Block实体，并没有发生改变。
也就说，在Block内部和外部，会有两个Block指针，指向了同一个Block结构体。
这里再次强调一下，我们所声明的Block变量existingBlock，是一个指向Block类型的指针，而不是Block实体。正如同NSObject *obj = [NSObject new]一样，obj是一个指向NSObject的指针，而不是NSObject实体。
下面是Clang文档的例子：
void (^existingBlock)(void) = ...; |
这时候Block的数据结构是：
struct __block_literal_4 _block_literal = { |
截取NSObject类型变量
在Clang中，NSObject类型变量被当做__attribute__((NSObject))类型。Block截取NSObject对象时，同样会做一份const copy NSObject *。
比如：
@interface MyObject : NSObject |
输出为：
可以看到，当Block对NSObject做const copy时，仅是做了浅拷贝，并没有复制指针所指向的内容，仅仅是const copy了指针。因此，这里的self指针地址是改变了，而self指针所指向的地址都是同一个。
就像上面Block类型变量的例子，是同一个道理。
而对于NSObject类型，同样需要两个copy helper函数：
void __block_copy_foo(struct __block_literal_5 *dst, struct __block_literal_5 *src) { |
截取__block修饰的变量
鉴于我们上面所说的都是const copy，因此对于在Block中对于其截取变量的任何改变，都是不被允许的。如果我们要修改Block内部的值，编译器就会提示如下错误：
那如何在Block中修改截取变量的值呢？我们自然会想到对外部变量加上__block修饰符。我们将上面代码改成下面的形式，则会顺利编译通过:
__block int b = 13; |
输出为：
这里会发现一个有意思的现象，虽然在进入Block前后，b的地址并不一样！也就是在进入Block前后，其实会有两个不同的b。
之所以会这样，与Clang对于__block类型变量的处理有关。
当变量被标记为__block类型时，Clang会对变量b进行改写成一个如下格式的struct：
struct _block_byref_foo { |
比如：
int __block i = 10; |
会被Clang改写做：
struct _block_byref_i { |
可以看到，int __block i 被改写为了struct _block_byref_i结构体。这里需要明确一点：
添加了__block关键字后的int b，实质类型并不是int类型，而是一个struct _block的结构体类型了。
这里有个关键的属性变量，forwarding，forwarding指向一个__block结构体。
当__block在栈上时，forwarding会指向__block自身。而当__block在堆上生成一份copy时，这时候栈上的forwarding会指向堆上的那一份拷贝。而在堆上的那个__block的__forwarding指针，则指向自己的首地址。
也就是说，只要通过forwarding来操作__block结构体捕获的外部变量，实质上是操作的同一个变量。
我们用图片可以更清楚的弄懂其中的原理：
这也就是为什么，即使Block外和Block内部b分别是两个变量，而b的值却可以被改变的原因。因为在栈上的__block结构体中，通过forwarding指针指向了堆上的Block的地址。那么当在Block内部修改b的值，也就是改变堆上的int b的值的时候，在Block外部再访问b的值的时候，其实在栈上的__block int b通过__forwarding 指针，访问到了堆上的__block int b，这让我们感觉在栈上的变量也被修改了。
这也就是为什么，在测试代码中，在执行完Block后，再输出b的地址，发现是和Block内部的地址一致，而不是进入Block之前的地址的原因。（以为进入Block后，再次访问b，实际上会指向堆上的那个b，而不是之前栈上的那个b）
当我们将__block的变量导入Block中时，Clang会作如下改写：
例如，
int __block i = 2;
functioncall(^{ i = 10; });会被Clang做如下改写：
struct _block_byref_i {
void *isa; // set to NULL
struct _block_byref_voidBlock *forwarding;
int flags; //refcount;
int size;
void (*byref_keep)(struct _block_byref_i *dst, struct _block_byref_i *src);
void (*byref_dispose)(struct _block_byref_i *);
int captured_i;
};
struct __block_literal_5 {
void *isa;
int flags;
int reserved;
void (*invoke)(struct __block_literal_5 *);
struct __block_descriptor_5 *descriptor;
struct _block_byref_i *i_holder;
};
void __block_invoke_5(struct __block_literal_5 *_block) {
_block_byref_i * i_holder = _block->i_holder;
i_holder->forwarding->captured_i = 10;
}
void __block_copy_5(struct __block_literal_5 *dst, struct __block_literal_5 *src) {
_Block_object_assign(&dst->i_holder, src->i_holder, BLOCK_FIELD_IS_BYREF | BLOCK_BYREF_CALLER);
}
void __block_dispose_5(struct __block_literal_5 *src) {
_Block_object_dispose(src->i_holder, BLOCK_FIELD_IS_BYREF | BLOCK_BYREF_CALLER);
}
static struct __block_descriptor_5 {
unsigned long int reserved;
unsigned long int Block_size;
void (*copy_helper)(struct __block_literal_5 *dst, struct __block_literal_5 *src);
void (*dispose_helper)(struct __block_literal_5 *);
} __block_descriptor_5 = { 0, sizeof(struct __block_literal_5) __block_copy_5, __block_dispose_5 };上面的数据结构会做如下初始化
struct _block_byref_i i_holder = {( .isa=NULL, .forwarding=&i, .flags=0, .size=sizeof(struct _block_byref_i), .captured_i=2 )};
struct __block_literal_5 _block_literal = {
&_NSConcreteStackBlock,
(1<<25)|(1<<29), <uninitialized>,
__block_invoke_5,
&__block_descriptor_5,
& i_holder,
};是否只有__block类型才能够在Block中被修改？
这里插入一个小测试，对于静态变量a，是否可以在Block中作出改变呢？
static int a = 13;
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSLog(@"Outside Block, static int a address is %p", &a);
^{
NSLog(@"Inside Block, static int a address is %p", &a);
a++;
}();
NSLog(@"Now a is %d", a);
}答案是可以的，在Block之后，a的值变为14。这是因为对于全局/静态变量而言，Block会直接引用变量，而不会做const
copy。
所以，我们这一节讨论的，是除去全局、静态变量外，被Block const
copy的其他的类型变量。
小测试
题目一. 下面代码会输出什么？
typedef void(^blockType)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
int i = 13;
blockType blk = ^{
NSLog(@"In block i = %d", i);
};
i += 2;
blk();
NSLog(@"Now i = %d", i);
}
return 0;
}这里考察对于auto类型变量，Block的截取方式。因为auto变量会在Block中做一份const
copy，因此在Block内外，实质上应该存在两个i。
这里的输出为：
image
题目二. 下面的代码会 正常输出/编译错误/runtime crash
typedef void(^blockType)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSString *str = @"Hello";
blockType blk = ^{
str = @"World";
};
blk();
NSLog(@"Now str is %@", str);
}
return 0;
}因为对于NSObject类型，在Block中会当做NSObject *const
obj处理，此时是一个指针常量。对于指针常量，是不能够更改其指针所指向的位置的，因此，这里会出现编译错误。
题目三. 下面的代码会 正常输出/编译错误/runtime crash
typedef void(^blockType)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
__block NSString *str = @"Hello";
blockType blk = ^{
str = @"World";
};
blk();
NSLog(@"Now str is %@", str);
}
return 0;
}因为str变量用了__block修饰，因此__block NSString *str
实质上一个__block struct 类型变量：
struct _block_byref_str {
void *isa;
struct _block_byref_str *forwarding;
int flags;
int size;
NSString *captureStr;
}当创建__block 类型变量时，在Block结构体中，会存储__block结构体指针：
struct __block_literal {
void *isa;
int flags;
int reserved;
void (*invoke)(struct __block_literal * _cself);
struct __block_descriptor *descriptor;
struct _block_byref_str *str_holder; // __block结构体指针
}当调用invoke方法时，会是这样的：
void invoke(struct __block_literal * _cself) {
_block_byref_str *str_holder = _cself->str_holder;
str_holder->forwarding->captureStr = @"World";
}由于通过forwarding指针，确保了Block外部和内部的str都是一个指针，因此，当Block内部的str指向新的地址时（str = @"World"），在Block外部的str也指向了新的地址。（因为它们是同一个东西）。
这个过程用图表示为：
- __block str = @”World”;
<img src="//upload-images.jianshu.io/upload_images/4824593-597e4d8dd456a82b" width="4032" height="3024" />
image- 当在Block中操作str=@”World”时，相应的__block结构体会拷贝到heap上，同时，stack上的__block结构体的forwarding指针也会指向heap上的那份copy：
<img src="//upload-images.jianshu.io/upload_images/4824593-3501c452828341e9" width="4032" height="3024" />
image- 因此，在Block外面再次输出str的内容时，由于这时候stack上__block结构体的forwarding指针已经指向了heap上的__block结构体，因此也会输出heap上的captured_str指针所指向的内容：
@“World”。
为了验证我们的猜测，我们可以用如下代码：
image
在进入Block前，Block中，进入Block后分别设置断点，并打印aR指针的地址&aR，会得到如下结果：
image
可以看到，在Block中和进入Block后，aR的地址是一样的，而在进入Block之前，则是另一个地址。这是因为在stack上的__block结构变量，将其forwarding指针指向了heap地址所导致的。
题目四. 下面的代码会 正常输出/编译错误/runtime crash
typedef void(^blockType)(void);
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSString *aStr = @"Hello";
__block NSString *str = aStr;
blockType blk = ^{
str = @"World";
};
blk();
NSLog(@"Now a aStr is %@", aStr);
NSLog(@"Now str is %@", str);
}
return 0;
}这个题目和题目三类似，只不过对于str的赋值由__block NSString *str = @"Hello"变成了__block NSString *str = aStr。
上面这段代码会正常输出，其结果为：
image
至于str为什么会由@”Hello”变成@“World”，其原因见题目三。
这里aStr是没有任何变化的，这是因为在将str在Block中赋值为@”World”时，仅仅是将str指向了新的地址，而没有更改原地址的内容。而aStr一直指向旧的地址，也就是值为@”World”的地址。
题目五. 下面的代码会 正常输出/编译错误/runtime crash
NSMutableString *str = [NSMutableString stringWithString:@"Hello"];
blockType blk = ^{
[str appendString:@" World"];
};
blk();
NSLog(@"Now str is %@", str);答案是会正常输出。因为对于NSObject类型来说，Block会copy一份指针常量来保存NSObject的地址。所谓指针常量，是指指针指向的地址是不可用更改的。而这里在Block中，并没有更改指针指向的地址，而仅仅是改变了指针指向地址中的值，这个操作是允许的。
其输出结果为：
image
同样的，类似还有下面代码，也是可以正常运行，并输出名字Tim：
MyRetaion *aR = [MyRetaion new];
aR.name = @"Jack";
blockType blk = ^{
aR.name = @"Tim";
};
blk();
NSLog(@"Now name is %@", aR.name);总结
在本篇文章中，我们根据Clang的官方文档，分析总结了Clang为了支持Block，其背后所使用的数据结构。同时，我们重点分析了Block对于不同类型的外部变量的截取方式。按照Block不同的处理方式，Block截取的变量类型可以分为：
- 全局/静态类型
- auto类型
- Block类型
- NSObject类型
- __block类型
不同的类型，Block都有不同的截取处理方式。
通过深入了解Block的机制，相信对大家编程中正确高效的使用Block，是很有帮助的。
现在来回答我们文章最开始的部分，代码的输出结果为：
a = 14, b = 13, str = HelloWorld至于原因，相信大家都会知道了：）