深入理解 weak-strong dance

weak-strong dance 简介

使用 Block 时可以通过__weak来避免循环引用已经是众所周知的事情:

// OCClass.m

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.handler = ^{ NSLog(@"Self is %@", weakSelf); };

这时handler持有 Block 对象，而 Block 对象虽然捕获了weakSelf，延长了weakSelf这个局部变量的生命周期，但weakSelf是附有__weak修饰符的变量，它并不会持有对象，一旦它指向的对象被废弃了，它将自动被赋值为nil。在多线程情况下，可能weakSelf指向的对象会在 Block 执行前被废弃，这在上例中无伤大雅，只会输出Self is nil，但在有些情况下（譬如weakSelf作为 KVO 的观察者被移除时）就会导致 crash。这时可以在 Block 内部再持有一次weakSelf指向的对象，延长该对象的生命周期，这就是所谓的 weak-strong dance：

__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.handler = ^{
    typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf;
    [strongSelf.obserable removeObserver:strongSelf
                              forKeyPath:kObservableProperty];
};

typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf这一句等于__strong typeof(weakSelf) strongSelf = weakSelf，在 ARC 模式下，id 类型和 OC 对象类型默认的所有权修饰符就是__strong，所以是可以省略的。

问题

上面就是对 weak-strong dance 的扫盲级描述。不知道大家怎么想，反正我刚听说这个东西的时候，是有几个疑惑的：

• self指向的对象已经被废弃的情况下，_handler成员变量也不存在了，在 ARC 下会自动释放它指向的 Block 对象，这个时候 Block 对象应该已经没有被变量所持有了，它的引用计数应该已经为0了，它应该被废弃了啊，为什么它还能继续存在并执行。
• 本来在 Block 内部使用weakSelf就是为了让 Block 对象不持有self指向的对象，那在 Block 内部又把weakSelf赋给strongSelf不就又持有self对象了么？又循环引用了？

要解决以上疑惑，需要对 ARC、Block、GCD 这些概念有比较深入的了解，主要是要清楚 Block 的实现原理。离职前不久我在公司做过一个关于函数式编程的内部分享，讲完 PPT 后有个同学问我“闭包”是怎么实现的，我当时没有细说，因为不同语言在实现同一个概念时肯定会有一些差异，我也不是什么语言都精通，所以不敢妄议。现在我也不敢说对所有语言的“闭包”实现都了如指掌，但至少对 OC 的闭包实现——Block 还算心中有数的。下面先简单介绍一下 Block 的实现，当然篇幅所限，会略过一些跟今天的主题关系不大的细节。

Block 的实现

Block 是 C 语言的扩展功能，支持 Block 的编译器会把含有 Block 的代码转换成一般的 C 代码执行。之前我一直有用到“Block 对象”这个词，因为一个 Block 实例就是一个含有“isa”指针的结构体，跟一般的 OC 对象的结构是一样的：

struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};

struct __xx_block_impl_x {
    struct __block_impl impl;
    // ...
};

所以跟一般的 OC 对象一样，这个isa指针也指向该 Block 实例的类型结构体（类对象，也有叫单件类的），Block 有三种类型：

• _NSConcreteStackBlock
• _NSConcreteGlobalBlock
• _NSConcreteMallocBlock

这三种 Block 类的实例设置在不同的内存区域，_NSConcreteStackBlock 的实例设置在 stack 上，_NSConcreteGlobalBlock 的实例设置在 data segment（一般用来放置已初始化的全局变量），_NSConcreteMallocBlock 的实例设置在 heap。如果 Block 在记述全局变量的地方被设置或者 Block 没有捕获外部变量，那就生成一个 _NSConcreteGlobalBlock 实例。其它情况都会生成一个 _NSConcreteStackBlock 实例，也就是说，它是在栈上的，所以一旦它所属的变量超出了变量作用域，该 Block 就被废弃了。而当发生以下任一情况时：

• 手动调用 Block 的实例方法copy
• Block 作为函数返回值返回
• 将 Block 赋值给附有__strong修饰符的成员变量
• 在方法名中含有usingBlock的 Cocoa 框架方法或 GCD 的 API 中传递 Block

如果此时 Block 在栈上，那就复制一份到堆上，并将复制得到的 Block 实例的isa指针设为 _NSConcreteMallocBlock：

imply.isa = &__NSConcreteMallocBlock;

而如果此时 Block 已经在堆上，那就把该 Block 的引用计数加1。

解答疑惑一

说到这里，已经可以回答上文的第一个疑惑了。把 Block 赋值给self.handler的时候，在栈上生成的 Block 被复制了一份，放到堆上，并被_handler持有。而之后如果你把这个 Block 当作 GCD 参数使用（比较常见的需要使用 weak-strong dance 的情况），GCD 函数内部会把该 Block 再 copy 一遍，而此时 Block 已经在堆上，则该 Block 的引用计数加1。所以此时 Block 的引用计数是大于1的，即使self对象被废弃（譬如执行了退出当前页面之类的操作），Block 会被 release 一次，但它的引用计数仍然大于0，故而不会被废弃。

捕获对象变量

Block 捕获外部变量其实可分为三种情况：

• 捕获变量的瞬时值
• 捕获__block变量
• 捕获对象
  前两种情况跟今天的主题关系不大，先按下不表。第三种情况，也就是本文所举例子的情况，如果不用__weak，而是直接捕获self的话，代码大概是这个样子：

struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};

struct __xx_block_impl_y {
    struct __block_impl impl;
    OCClass *occlass; // 对象型变量不能作为 C 语言结构体成员，可能还需要做一些类型转换，而且真实生成的代码并不一定叫 occlass，领会精神……
    // ...
};

static void __xx_block_func_y(struct __xx_block_impl_y *__cself) {
    OCClass *occlass = __cself -> occlass;
    // ...
}

// ...

也就是说，表示 Block 实例的结构体中会多出一个OCClass类型的成员变量，它会在结构体初始化时被赋值。而结构体中的函数指针void *FuncPtr显然是用来存放真正的 Block 操作的，它会在结构体初始化的时候被赋值为__xx_block_func_y，__xx_block_func_y以表示 Block 对象的结构体实例为参数，从而得到occlass这个对象（即被捕获的self）。显然，这里会导致循环引用，而使用了__weak之后，表示 Block 对象的结构体中的成员变量occlass也将附有__weak修饰符：

__weak OCClass *occlass;

顺便说一下，__weak修饰的变量不会持有对象，它用一张 weak 表（类似于引用计数表的散列表）来管理对象和变量。赋值的时候它会以赋值对象的地址作为 key，变量的地址为 value，注册到 weak 表中。一旦该对象被废弃，就通过对象地址在 weak 表中找到变量的地址，赋值为 nil，然后将该条记录从 weak 表中删除。

那当我们使用 weak-strong dance 的时候是怎么个情况呢，会再次持有对象从而造成循环引用么？代码大致如下：

struct __block_impl {
    void *isa;
    int Flags;
    int Reserved;
    void *FuncPtr;
};

struct __xx_block_impl_y {
    struct __block_impl impl;
    __weak OCClass *occlass;
    // ...
};

static void __xx_block_func_y(struct __xx_block_impl_y *__cself) {
    OCClass *occlass = __cself -> occlass;
    // ...
}

解答疑惑二

__weak是个神奇的东西，每次使用__weak变量的时候，都会取出该变量指向的对象并 retain，然后将该对象注册到 autoreleasepool 中。通过上述代码我们可以发现，在__xx_block_func_y中，局部变量occlass会持有捕获的对象，然后对象会被注册到 autoreleasepool。这是延长对象生命周期的关键，但这不会造成循环引用，当函数执行结束，变量occlass超出作用域，过一会儿（一般一次 RunLoop 之后），对象就被释放了。所以 weak-strong dance 的行为非常符合预期：延长捕获对象的生命周期，一旦 Block 执行完，对象被释放，而 Block 也会被释放（如果被 GCD 之类的 API copy 过一次增加了引用计数，那最终也会被 GCD 释放）。

额外好处

上文说了每使用一次_weak变量就会把对象注册到 autoreleasepool 中，所以如果短时间内大量使用_weak变量的话，会导致注册到 autoreleasepool 中的对象大量增加，占用一定内存。而 weak-strong dance 恰好无意中解决了这个隐患，在执行 Block 时，把_weak变量（weakSelf）赋值给一个临时变量（strongSelf），之后一直都使用这个临时变量，所以_weak变量只使用了一次，也就只有一个对象注册到 autoreleasepool 中。