KVO原理分析及使用進階

時間  2019-11-09
標籤 kvo 原理 分析 使用 進階 简体版
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該文章屬於<簡書 — 劉小壯>原創，轉載請註明：

<簡書 — 劉小壯> https://www.jianshu.com/p/badf5cac0130git

咱們在工做中常常會用到 KVO，可是系統原生的 KVO並很差用，很容易致使 Crash。並且編寫代碼時，須要編寫大量 KVO相關的代碼，因爲不支持 block的形式，代碼會寫的很分散。

本篇文章對KVO的實現原理進行了詳細的分析，而且簡單的實現了一個KVO，來當作技術交流。因爲系統提供的KVO存在不少問題，在文章的最下面給出瞭解決方案。github

博客配圖

概述

KVO全稱KeyValueObserving，是蘋果提供的一套事件通知機制。容許對象監聽另外一個對象特定屬性的改變，並在改變時接收到事件。因爲KVO的實現機制，因此對屬性纔會發生做用，通常繼承自NSObject的對象都默認支持KVO。安全

KVO和NSNotificationCenter都是iOS中觀察者模式的一種實現。區別在於，相對於被觀察者和觀察者之間的關係，KVO是一對一的，而一對多的。KVO對被監聽對象無侵入性，不須要修改其內部代碼便可實現監聽。框架

KVO能夠監聽單個屬性的變化，也能夠監聽集合對象的變化。經過KVC的mutableArrayValueForKey:等方法得到代理對象，當代理對象的內部對象發生改變時，會回調KVO監聽的方法。集合對象包含NSArray和NSSet。函數

基礎使用

使用KVO分爲三個步驟：源碼分析

  1. 經過addObserver:forKeyPath:options:context:方法註冊觀察者，觀察者能夠接收keyPath屬性的變化事件。
  2. 在觀察者中實現observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法，當keyPath屬性發生改變後，KVO會回調這個方法來通知觀察者。
  3. 當觀察者不須要監聽時，能夠調用removeObserver:forKeyPath:方法將KVO移除。須要注意的是，調用removeObserver須要在觀察者消失以前，不然會致使Crash。

註冊方法

在註冊觀察者時，能夠傳入options參數，參數是一個枚舉類型。若是傳入NSKeyValueObservingOptionNew和NSKeyValueObservingOptionOld表示接收新值和舊值，默認爲只接收新值。若是想在註冊觀察者後，當即接收一次回調，則能夠加入NSKeyValueObservingOptionInitial枚舉。測試

還能夠經過方法context傳入任意類型的對象，在接收消息回調的代碼中能夠接收到這個對象，是KVO中的一種傳值方式。atom

在調用addObserver方法後，KVO並不會對觀察者進行強引用，因此須要注意觀察者的生命週期，不然會致使觀察者被釋放帶來的Crash。spa

監聽方法

觀察者須要實現observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法，當KVO事件到來時會調用這個方法，若是沒有實現會致使Crash。change字典中存放KVO屬性相關的值，根據options時傳入的枚舉來返回。枚舉會對應相應key來從字典中取出值，例若有NSKeyValueChangeOldKey字段，存儲改變以前的舊值。代理

change中還有NSKeyValueChangeKindKey字段，和NSKeyValueChangeOldKey是平級的關係，來提供本次更改的信息，對應NSKeyValueChange枚舉類型的value。例如被觀察屬性發生改變時，字段爲NSKeyValueChangeSetting。

若是被觀察對象是集合對象，在NSKeyValueChangeKindKey字段中會包含NSKeyValueChangeInsertion、NSKeyValueChangeRemoval、NSKeyValueChangeReplacement的信息，表示集合對象的操做方式。

兼容的調用方式

調用KVO屬性對象時，不只能夠經過點語法和set語法進行調用，KVO兼容不少種調用方式。

// 直接調用set方法，或者經過屬性的點語法間接調用
[account setName:@"Savings"];
 
// 使用KVC的setValue:forKey:方法
[account setValue:@"Savings" forKey:@"name"];
 
// 使用KVC的setValue:forKeyPath:方法
[document setValue:@"Savings" forKeyPath:@"account.name"];

// 經過mutableArrayValueForKey:方法獲取到代理對象，並使用代理對象進行操做
Transaction *newTransaction = <#Create a new transaction for the account#>;
NSMutableArray *transactions = [account mutableArrayValueForKey:@"transactions"];
[transactions addObject:newTransaction];

實際應用

KVO主要用來作鍵值觀察操做，想要一個值發生改變後通知另外一個對象，則用KVO實現最爲合適。斯坦福大學的iOS教程中有一個很經典的案例，經過KVO在Model和Controller之間進行通訊。

斯坦福大學 KVO示例

注意點

KVO的addObserver和removeObserver須要是成對的，若是重複remove則會致使NSRangeException類型的Crash，若是忘記remove則會在觀察者釋放後再次接收到KVO回調時Crash。

蘋果官方推薦的方式是，在init的時候進行addObserver，在dealloc時removeObserver，這樣能夠保證add和remove是成對出現的，是一種比較理想的使用方式。

手動調用KVO

KVO在屬性發生改變時的調用是自動的，若是想要手動控制這個調用時機，或想本身實現KVO屬性的調用，則能夠經過KVO提供的方法進行調用。

- (void)setBalance:(double)theBalance {
    if (theBalance != _balance) {
        [self willChangeValueForKey:@"balance"];
        _balance = theBalance;
        [self didChangeValueForKey:@"balance"];
    }
}

能夠看到調用KVO主要依靠兩個方法，在屬性發生改變以前調用willChangeValueForKey:方法，在發生改變以後調用didChangeValueForKey:方法。

若是想控制當前對象的自動調用過程，也就是由上面兩個方法發起的KVO調用，則能夠重寫下面方法。方法返回YES則表示能夠調用，若是返回NO則表示不能夠調用。

+ (BOOL)automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)theKey {
    BOOL automatic = NO;
    if ([theKey isEqualToString:@"balance"]) {
        automatic = NO;
    }
    else {
        automatic = [super automaticallyNotifiesObserversForKey:theKey];
    }
    return automatic;
}

實現原理

KVO是經過isa-swizzling技術實現的(這句話是整個KVO實現的重點)。在運行時根據原類建立一箇中間類，這個中間類是原類的子類，並動態修改當前對象的isa指向中間類。而且將class方法重寫，返回原類的Class。因此蘋果建議在開發中不該該依賴isa指針，而是經過class實例方法來獲取對象類型。

測試代碼

爲了測試KVO的實現方式，咱們加入下面的測試代碼。首先建立一個KVOObject類，並在裏面加入兩個屬性，而後重寫description方法，並在內部打印一些關鍵參數。

@interface KVOObject : NSObject
@property (nonatomic, copy  ) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@end

@implementation KVOObject

- (NSString *)description {
    NSLog(@"object address : %p \n", self);
    
    IMP nameIMP = class_getMethodImplementation(object_getClass(self), @selector(setName:));
    IMP ageIMP = class_getMethodImplementation(object_getClass(self), @selector(setAge:));
    NSLog(@"object setName: IMP %p object setAge: IMP %p \n", nameIMP, ageIMP);
    
    Class objectMethodClass = [self class];
    Class objectRuntimeClass = object_getClass(self);
    Class superClass = class_getSuperclass(objectRuntimeClass);
    NSLog(@"objectMethodClass : %@, ObjectRuntimeClass : %@, superClass : %@ \n", objectMethodClass, objectRuntimeClass, superClass);
    
    NSLog(@"object method list \n");
    unsigned int count;
    Method *methodList = class_copyMethodList(objectRuntimeClass, &count);
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        Method method = methodList[i];
        NSString *methodName = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        NSLog(@"method Name = %@\n", methodName);
    }
    
    return @"";
}

在另外一個類中分別建立兩個KVOObject對象，其中一個對象被觀察者經過KVO的方式監聽，另外一個對象則始終沒有被監聽。在KVO先後分別打印兩個對象的關鍵信息，看KVO先後有什麼變化。

@property (nonatomic, strong) KVOObject *object1;
@property (nonatomic, strong) KVOObject *object2;

self.object1 = [[KVOObject alloc] init];
self.object2 = [[KVOObject alloc] init];
[self.object1 description];
[self.object2 description];

[self.object1 addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];
[self.object1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];

[self.object1 description];
[self.object2 description];

self.object1.name = @"lxz";
self.object1.age = 20;

下面是KVO先後打印的關鍵信息，咱們在下面作詳細分析。

// 第一次
object address : 0x604000239340
object setName: IMP 0x10ddc2770 object setAge: IMP 0x10ddc27d0
objectMethodClass : KVOObject, ObjectRuntimeClass : KVOObject, superClass : NSObject
object method list
method Name = .cxx_destruct
method Name = description
method Name = name
method Name = setName:
method Name = setAge:
method Name = age

object address : 0x604000237920
object setName: IMP 0x10ddc2770 object setAge: IMP 0x10ddc27d0
objectMethodClass : KVOObject, ObjectRuntimeClass : KVOObject, superClass : NSObject
object method list
method Name = .cxx_destruct
method Name = description
method Name = name
method Name = setName:
method Name = setAge:
method Name = age

// 第二次
object address : 0x604000239340
object setName: IMP 0x10ea8defe object setAge: IMP 0x10ea94106
objectMethodClass : KVOObject, ObjectRuntimeClass : NSKVONotifying_KVOObject, superClass : KVOObject
object method list
method Name = setAge:
method Name = setName:
method Name = class
method Name = dealloc
method Name = _isKVOA

object address : 0x604000237920
object setName: IMP 0x10ddc2770 object setAge: IMP 0x10ddc27d0
objectMethodClass : KVOObject, ObjectRuntimeClass : KVOObject, superClass : NSObject
object method list
method Name = .cxx_destruct
method Name = description
method Name = name
method Name = setName:
method Name = setAge:
method Name = age

咱們發現對象被KVO後，其真正類型變爲了NSKVONotifying_KVOObject類，已經不是以前的類了。KVO會在運行時動態建立一個新類，將對象的isa指向新建立的類，新類是原類的子類，命名規則是NSKVONotifying_xxx的格式。KVO爲了使其更像以前的類，還會將對象的class實例方法重寫，使其更像原類。

在上面的代碼中還發現了_isKVOA方法，這個方法能夠當作使用了KVO的一個標記，系統可能也是這麼用的。若是咱們想判斷當前類是不是KVO動態生成的類，就能夠從方法列表中搜索這個方法。

重寫setter方法

KVO調用棧

KVO會重寫keyPath對應屬性的setter方法，沒有被KVO的屬性則不會重寫其setter方法。在重寫的setter方法中，修改值以前會調用willChangeValueForKey:方法，修改值以後會調用didChangeValueForKey:方法，這兩個方法最終都會被調用到observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法中。

object_getClass

爲何上面調用runtime的object_getClass函數，就能夠獲取到真正的類呢？

調用object_getClass函數後其返回的是一個Class類型，Class是objc_class定義的一個typedef別名，經過objc_class就能夠獲取到對象的isa指針指向的Class，也就是對象的類對象。

由此能夠推測，object_getClass函數內部返回的是對象的isa指針。

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

缺點

蘋果提供的KVO自身存在不少問題，首要問題在於，KVO若是使用不當很容易崩潰。例如重複add和remove致使的Crash，Observer被釋放致使的崩潰，keyPath傳錯致使的崩潰等。

在調用KVO時須要傳入一個keyPath，因爲keyPath是字符串的形式，因此其對應的屬性發生改變後，字符串沒有改變容易致使Crash。咱們能夠利用系統的反射機制將keyPath反射出來，這樣編譯器能夠在@selector()中進行合法性檢查。

NSStringFromSelector(@selector(isFinished))

KVO是一種事件綁定機制的實現，在keyPath對應的值發生改變後會回調對應的方法。這種數據綁定機制，在對象關係很複雜的狀況下，很容易致使很差排查的bug。例如keyPath對應的屬性被調用的關係很複雜，就不太建議對這個屬性進行KVO，能夠想一下RAC的信號腦補一下。

本身實現KVO

除了上面的缺點，KVO還不支持block語法，須要單獨重寫父類方法，這樣加上add和remove方法就會致使代碼很分散。因此，我經過runtime簡單的實現了一個KVO，源碼放在個人Github上，叫作EasyKVO。

self.object1 = [[KVOObject alloc] init];
[self.object1 lxz_addObserver:self originalSelector:@selector(name) callback:^(id observedObject, NSString *observedKey, id oldValue, id newValue) {
    // callback
}];

self.object1.name = @"lxz";
[self.object1 lxz_removeObserver:self originalSelector:@selector(name)];

調用代碼很簡單，直接經過lxz_addObserver:originalSelector:callback:方法就能夠添加KVO的監聽，能夠經過callback的block接收屬性發生改變後的回調，並且方法的keyPath接收的是一個SEL類型參數，因此能夠經過@selector()傳入參數時進行方法合法性檢查，若是是未實現的方法直接就會報警告。

經過lxz_removeObserver:originalSelector:方法傳入觀察者和keyPath，當觀察者全部keyPath都移除後則從KVO中移除觀察者對象。

若是重複addObserver和removeObserver也沒事，內部有判斷邏輯。EasyKVO內部經過weak對觀察者作引用，並不會影響觀察者的生命週期，而且在觀察者釋放後不會致使Crash。一次add方法調用對應一個block，若是觀察者監聽多個keyPath屬性，不須要在block回調中判斷keyPath。

注意

須要注意的是，EasyKVO只是作技術交流，不建議在項目中使用。由於KVO實現須要考慮不少狀況，繼承關係、多個觀察者等不少問題。

KVOController

想在項目中安全便捷的使用KVO的話，推薦Facebook的一個KVO開源第三方框架-KVOController。KVOController本質上是對系統KVO的封裝，具備原生KVO全部的功能，並且規避了原生KVO的不少問題，兼容block和action兩種回調方式。

源碼分析

從源碼來看仍是比較簡單的，主要分爲NSObject的Category和FBKVOController兩部分。

FBKVOController

在Category中提供了KVOController和KVOControllerNonRetaining兩個屬性，顧名思義第一個會對observer產生強引用，第二個則不會。其內部代碼就是建立FBKVOController對象的代碼，並將建立出來的對象賦值給Category的屬性，直接經過這個Category就能夠懶加載建立FBKVOController對象。

- (FBKVOController *)KVOControllerNonRetaining
{
  id controller = objc_getAssociatedObject(self, NSObjectKVOControllerNonRetainingKey);
  
  if (nil == controller) {
    controller = [[FBKVOController alloc] initWithObserver:self retainObserved:NO];
    self.KVOControllerNonRetaining = controller;
  }
  
  return controller;
}

FBKVOController部分

在FBKVOController中分爲三部分，_FBKVOInfo是一個私有類，這個類的功能很簡單，就是以結構化的形式保存FBKVOController所需的各個對象，相似於模型類的功能。

還有一個私有類_FBKVOSharedController，這是FBKVOController框架實現的關鍵。從命名上能夠看出其是一個單例，全部經過FBKVOController實現的KVO，觀察者都是它。每次經過FBKVOController添加一個KVO時，_FBKVOSharedController都會將本身設爲觀察者，並在其內部實現observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法，將接收到的消息經過block或action進行轉發。

其功能很簡單，經過observe:info:方法添加KVO監聽，並用一個NSHashTable保存_FBKVOInfo信息。經過unobserve:info:方法移除監聽，並從NSHashTable中將對應的_FBKVOInfo移除。這兩個方法內部都會調用系統的KVO方法。

在外界使用時須要用FBKVOController類，其內部實現了初始化以及添加和移除監聽的操做。在調用添加監聽方法後，其內部會建立一個_FBKVOInfo對象，並經過一個NSMapTable對象進行持有，而後會調用_FBKVOSharedController來進行註冊監聽。

使用FBKVOController的話，不須要手動調用removeObserver方法，在被監聽對象消失的時候，會在dealloc中調用remove方法。若是由於業務需求，能夠手動調用remove方法，重複調用remove方法不會有問題。

- (void)_observe:(id)object info:(_FBKVOInfo *)info
{
    NSMutableSet *infos = [_objectInfosMap objectForKey:object];

    _FBKVOInfo *existingInfo = [infos member:info];
    if (nil != existingInfo) {
      return;
    }

    if (nil == infos) {
      infos = [NSMutableSet set];
      [_objectInfosMap setObject:infos forKey:object];
    }

    [infos addObject:info];

    [[_FBKVOSharedController sharedController] observe:object info:info];
}

由於FBKVOController的實現很簡單，因此這裏就很簡單的講講，具體實現能夠去Github下載源碼仔細分析一下。

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