KVO详解及底层实现

什么是KVO??

KVO就是NSKeyValueObserving,请看官方文档的解释:

大概翻译如下:

一种非正式协议,通知其他对象的指定属性发生了改变。

简单理解就是,可以监听一个对象的某个属性是否发生改变。

那么问题来了,什么是非正式协议??有正式协议吗??

麻蛋,本来想找官方文档的,找了半天没找到。从Stackoverflow找到了答案,貌似原来官方文档的链接失效了

大概翻译如下:

非正式协议:非正式协议是NSObject的一个类别Category,几乎所有的对象都隐含的采用(类别是OC的语言特性,能够给类对象添加方法而不需要创建子类),非正式协议的方法是可选的

正式协议: 一个正式协议声明了类需要实现的方法列表,正式协议有自己的声明、采用和类型检查语法。你可以使用@required或者optional关键字指定方法是否必须实现。子类继承父类采用的协议。正式协议也可以遵守其他协议

KVO实现

  • 监听某个对象的某个属性
- (void)addObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath options:(NSKeyValueObservingOptions)options context:(nullable void *)context;
  • 实现非正式协议
- (void)observeValueForKeyPath:(nullable NSString *)keyPath ofObject:(nullable id)object change:(nullable NSDictionary<NSKeyValueChangeKey, id> *)change context:(nullable void *)context;
  • 移除监听
- (void)removeObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath;

简单代码演示:

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    self.person = [[ZJPerson alloc] init];
    
    [self.person setName:@"zhangsan"];
    
    [self.person addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];
    
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    [self.person setName:@"lisi"];
}

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
    NSLog(@"%@", change);
}

- (void)dealloc{
    [self.person removeObserver:self forKeyPath:@"name"];
}

打印结果:

用法其实很简单,接下来重点来了,KVO为什么能够监听到属性变化,底层做了什么??

KVO底层实现探究

首先,我们利用runtime在添加监听之前和之后分别打印一下类对象

NSLog(@"%@", object_getClass(self.person));
[self.person addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];
NSLog(@"%@", object_getClass(self.person));

打印结果:

2018-05-19 22:48:18.726028+0800 KVO[33804:3059947] ZJPerson
2018-05-19 22:48:18.726535+0800 KVO[33804:3059947] NSKVONotifying_ZJPerson

我们发现添加监听之后,实例对象的类对象发生了变化,系统为我们动态添加了一个NSKVONotifying_+类名的类,因为我们改变对象属性的值是通过setter方法实现了,所以很明显是系统动态生成的NSKVONotifying_ZJPerson类重写了setter方法。不信的话,我们可以做一个实验,自己手动添加一个NSKVONotifying_ZJPerson类,看下会打印什么

2018-05-19 22:56:32.223288+0800 KVO[33919:3068985] [general] KVO failed to allocate class pair for name NSKVONotifying_ZJPerson, automatic key-value observing will not work for this class

错误提示很明显,告诉我们创建NSKVONotifying_ZJPerson类失败,KVO失效

那么系统自动创建重写的的setter方法内部做了什么呢??同样在添加监听方法之前,利用runtime打印下方法的实现,截图如下:

发现方法实现变了,内部调用了系统Foundation框架下的_NSSetObjectValueAndNotify方法。那么这个框架内部又是怎么实现的呢,我们可以下断点,查看下函数调用栈:

首先通过设置一个观察点,观察属性的变化:

继续执行,可以看到函数调用栈如下:

在结果发生改变的地方继续下断点调试:

由以上函数调用栈,我们大致可以猜测出,_NSSetObjectValueAndNotify函数内部实现过程如下:

1. `-[NSObject(NSKeyValueObservingPrivate) _changeValueForKey:key:key:usingBlock:]:
2. -[NSObject(NSKeyValueObservingPrivate) _changeValueForKeys:count:maybeOldValuesDict:usingBlock:]:
3. [ZJPerson setName:];
4. `NSKeyValueDidChange:
5. `NSKeyValueNotifyObserver:
6. - (void)observeValueForKeyPath:ofObject:change:context

简化成OC的伪代码大致如下:

- (void)setName:(NSString *)name{
    _NSSetObjectValueAndNotify();
}

void _NSSetObjectValueAndNotify {
    [self willChangeValueForKey:@"name"];
    [super setName:name];
    [self didChangeValueForKey:@"name"];
}

- (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key{
    [observe observeValueForKeyPath:key ofObject:self change:nil context:nil];
}

NSKVONotifying_ZJPerson内部都重写了哪些方法

可以利用runtime方法打印一下方法列表:

unsigned int count;
Method *methods = class_copyMethodList(object_getClass(self.person), &count);
    
for (NSInteger index = 0; index < count; index++) {
   Method method = methods[index];
   
   NSString *methodStr = NSStringFromSelector(method_getName(method));
   
   NSLog(@"%@\n", methodStr);
}

打印结果:

2018-05-20 08:57:07.883400+0800 KVO[35888:3218908] setName:
2018-05-20 08:57:07.883571+0800 KVO[35888:3218908] class
2018-05-20 08:57:07.883676+0800 KVO[35888:3218908] dealloc
2018-05-20 08:57:07.883793+0800 KVO[35888:3218908] _isKVOA

简单分析下重写这些方法的作用:

class:重写这个方法,是为了伪装苹果自动为我们生成的中间类。 dealloc:应该是处理对象销毁之前的一些收尾工作 _isKVOA:告诉系统使用了kvo

拓展

学任何东西,通过我们的思考一定会问出一些别的问题,通过深入了解kvo,下面两个问题,是面试经常会被问到的,也是我所能想到的:

  • 如何动态生成一个类??
  • 知道了原理,能不能自己写一个KVO??

动态生成一个自己的类

既然是动态生成,肯定是利用了苹果的runtime机制,通过上面对KVO的学习,也了解到了runtime的强大之处。

  • 创建类
Class customClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "ZJCustomClass", 0);
  • 添加实例变量
// 添加实例变量
    class_addIvar(customClass, "age", sizeof(int), 0, "i");
// 添加方法
    class_addMethod(customClass, @selector(hahahha), (IMP)hahahha, "V@:");

需要实现方法:

void hahahha(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"hahahha====");
}

- (void)hahahha{

}
  • 注册到运行时环境
objc_registerClassPair(customClass);
打印方法列表和成员变量列表,查看是否创建成功
#pragma mark - Util

- (NSString *)copyMethodsByClass:(Class)cls{
    unsigned int count;
    Method *methods = class_copyMethodList(cls, &count);
    
    NSString *methodStrs = @"";
    
    for (NSInteger index = 0; index < count; index++) {
        Method method = methods[index];
        
        NSString *methodStr = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        
        methodStrs = [NSString stringWithFormat:@"%@ ", methodStr];
    }
    
    free(methods);
    
    return methodStrs;
}

- (NSString *)copyIvarsByClass:(Class)cls{
    unsigned int count;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList(cls, &count);
    
    NSMutableString *ivarStrs = [NSMutableString string];
    
    for (NSInteger index = 0; index < count; index++) {
        Ivar ivar = ivars[index];
        
        NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];  //获取成员变量的名字
        
        NSString *ivarType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)]; //获取成员变量的数据类型
        
        [ivarStrs appendString:@"\n"];
        [ivarStrs appendString:ivarName];
        [ivarStrs appendString:@"-"];
        [ivarStrs appendString:ivarType];
        
    }
    
    free(ivars);
    
    return ivarStrs;
}

调用方法可看到创建成功:

NSLog(@"%@", [self copyMethodsByClass:customClass]);
NSLog(@"%@", [self copyIvarsByClass:customClass]);

动态创建类大致就这些步骤。。。

自己动手写一个KVO

KVO底层实现还是很复杂的,下面我只是简单的写下实现过程:

  • 因为它是一个非正式协议,给NSObject新建一个CategoryNSObject+kvo.h,添加监听方法:

.h文件

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (kvo)

- (void)zj_addObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath options:(NSKeyValueObservingOptions)options context:(nullable void *)context;

@end

.m文件

#import "NSObject+kvo.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

@implementation NSObject (kvo)

- (void)zj_addObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath options:(NSKeyValueObservingOptions)options context:(void *)context{
    //动态添加一个类
    NSString *originClassName = NSStringFromClass([self class]);
    
    NSString *newClassName = [@"ZJKVO_" stringByAppendingString:originClassName];
    
    const char *newName = [newClassName UTF8String];
    
    // 继承自当前类,创建一个子类
    Class kvoClass = objc_allocateClassPair([self class], newName, 0);
    
    // 添加setter方法
    class_addMethod(kvoClass, @selector(setName:), (IMP)setName, "v@:@");
    
    //注册新添加的这个类
    objc_registerClassPair(kvoClass);
    
    // 修改isa指针,由ZJPerson指向ZJKVO_Person
    object_setClass(self, kvoClass);
    
    // 保存观察者属性到当前类中
    objc_setAssociatedObject(self, (__bridge const void *)@"observer", observer, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

#pragma mark - 重写父类方法

void setName(id self, SEL _cmd, NSString *name) {
    
    // 保存当前KVO的类
    Class kvoClass = [self class];
    
    // 将self的isa指针指向父类ZJPerson,调用父类setter方法
    object_setClass(self, class_getSuperclass([self class]));
    
    // 调用父类setter方法,重新复制
    objc_msgSend(self, @selector(setName:), name);
    
    // 取出ZJKVO_Person观察者
    id objc = objc_getAssociatedObject(self, (__bridge const void *)@"observer");

    // 通知观察者,执行通知方法
    objc_msgSend(objc, @selector(observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:), name, self, nil, name);
    
    // 重新修改为ZJKVO_Person类
    object_setClass(self, kvoClass);
}

注意一 要修改下xcode中的一个配置,将它改为NO,否则会报参数太多的错误:

注意二

解释下代码中v@:@的意思:

  • 第一个v表示方法返回值void
  • 第二三个@:一般是一块的,因为函数至少有两个参数self和_cmd,一般是固定写法
  • 最后一个@表示参数类型,是一个对象

下面在代码中实验,看下我们自己写的kvo有没有执行:

修改添加监听者的方法,改成我们自己的

[self.person zj_addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];

看下回调中的打印:

发现确实监听到了。。。

代码地址

总结

kvo用法其实非常简单,但是深入了解,深入思考的话,知识点非常多。花了一天多的时间,期间查阅了很多文档(发现官方文档真的是非常有用),总算是写完了,对KVO有了一个更深入的认识和理解。今天是520,感谢女朋友的理解,终于可以陪她出去玩了,哈哈。。。

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