iOS 底层探索：KVO 底层原理

iOS 底层探索：学习大纲 OC篇

前言

在Key-Value Observing Programming Guide官方文档中，有这么一句话：In order to understand key-value observing, you must first understand key-value coding. 为了理解键值观察，你必须首先理解键值编码。上一篇已经探索过KVC了。
关于KVO的探索已经很成熟 , 本篇主要内容参考摘自：KVO 底层原理，以供日后复习。

内容

KVO基础
KVO底层原理

一、 KVO介绍

KVO，全称为Key-Value observing，中文名为键值观察，KVO是一种机制，它允许将其他对象的指定属性的更改通知给对象。
KVC是键值编码，在对象创建完成后，可以动态的给对象属性赋值，所以可以看出KVO是基于KVC的基础上对属性动态变化的监听

一、 KVO基础

KVO的基本使用主要分为3步：

1、注册观察者`addObserver:forKeyPath:options:context`

[self.person addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:NULL];

addObserver添加操作中，addObserver是监听对象，KeyPath是监听路径，option是监听类型，是一个枚举，包含：

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, NSKeyValueObservingOptions) {
    NSKeyValueObservingOptionNew     // 新值
    NSKeyValueObservingOptionOld     // 旧值
    NSKeyValueObservingOptionInitial // 初始值 
    NSKeyValueObservingOptionPrior   // 变化前
};

2、实现KVO回调`observeValueForKeyPath:ofObject:change:context`

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{
    if ([keyPath isEqualToString:@"name"]) {
        NSLog(@"%@",change);
    }
}

observeValueForKeyPath 监听当前控制器的所有变化，change有以下4种情况：

typedef NS_ENUM(NSUInteger, NSKeyValueChange) {
    NSKeyValueChangeSetting = 1,
    NSKeyValueChangeInsertion = 2,
    NSKeyValueChangeRemoval = 3,
    NSKeyValueChangeReplacement = 4,
};

3、移除观察者`removeObserver:forKeyPath:context`

-(void)dealloc {
    // 3. 移除
    [self.person removeObserver:self forKeyPath:@"name" context: NULL];
}

注意点1：context使用

在官方文档中，针对参数context有如下说明：

大致含义就是：addObserver：forKeyPath：options：context：方法中的上下文context指针包含任意数据，这些数据将在相应的更改通知中传递回观察者。可以通过指定context为NULL，从而依靠keyPath即键路径字符串传来确定更改通知的来源，但是这种方法可能会导致对象的父类由于不同的原因也观察到相同的键路径而导致问题。所以可以为每个观察到的keyPath创建一个不同的context，从而完全不需要进行字符串比较，从而可以更有效地进行通知解析

通俗的讲，context上下文主要是用于区分不同对象的同名属性，从而在KVO回调方法中可以直接使用context进行区分，可以大大提升性能，以及代码的可读性

context使用总结

不使用context，使用keyPath区分通知来源

//context的类型是 nullable void *，应该是NULL，而不是nil
[self.person addObserver:self forKeyPath:@"nick" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:NULL];

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{
    if ([keyPath isEqualToString:@"name"]) {
        NSLog(@"%@",change);
    }
}

使用context区分通知来源

//定义context
static void *PersonNickContext = &PersonNickContext;
static void *PersonNameContext = &PersonNameContext;

//注册观察者
[self.person addObserver:self forKeyPath:@"nick" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:PersonNickContext];
[self.person addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:PersonNameContext];

//KVO回调
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{
    if (context == PersonNickContext) {
        NSLog(@"%@",change);
    }else if (context == PersonNameContext){
        NSLog(@"%@",change);
    }
}

-removeObserver移除对象时，可以通过context精准移除观察对象：

注意点2：移除KVO通知的必要性

在官方文档中，针对KVO的移除有以下几点说明

删除观察者时，请记住以下几点：

要求被移除为观察者（如果尚未注册为观察者）会导致NSRangeException。您可以对removeObserver：forKeyPath：context：进行一次调用，以对应对addObserver：forKeyPath：options：context：的调用，或者，如果在您的应用中不可行，则将removeObserver：forKeyPath：context：调用在try / catch块内处理潜在的异常。
释放后，观察者不会自动将其自身移除。被观察对象继续发送通知，而忽略了观察者的状态。但是，与发送到已释放对象的任何其他消息一样，更改通知会触发内存访问异常。因此，您可以确保观察者在从内存中消失之前将自己删除。
该协议无法询问对象是观察者还是被观察者。构造代码以避免发布相关的错误。一种典型的模式是在观察者初始化期间（例如，在init或viewDidLoad中）注册为观察者，并在释放过程中（通常在dealloc中）注销，以确保成对和有序地添加和删除消息，并确保观察者在注册之前被取消注册，从内存中释放出来。

所以，总的来说，KVO注册观察者和移除观察者是需要成对出现的，如果只注册，不移除，会出现类似野指针的崩溃，如下图所示

崩溃的原因是，由于第一次注册KVO观察者后没有移除，再次进入界面，会导致第二次注册KVO观察者，导致KVO观察的重复注册，而且第一次的通知对象还在内存中，没有进行释放，此时接收到属性值变化的通知，会出现找不到原有的通知对象，只能找到现有的通知对象，即第二次KVO注册的观察者，所以导致了类似野指针的崩溃，即一直保持着一个野通知，且一直在监听

注：这里的崩溃案例是通过单例对象实现（崩溃有很大的几率，不是每次必现），因为单例对象在内存是常驻的，针对一般的类对象，貌似不移除也是可以的，但是为了防止线上意外，建议还是移除比较好。

如果是我，我一定移除

4、KVO的自动触发与手动触发

KVO观察的开启和关闭有两种方式，自动和手动

自动开关，返回NO，就监听不到，返回YES，表示监听

// 自动开关
+ (BOOL) automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)key{
    return YES;
}

自动开关关闭的时候，可以通过手动开关监听

- (void)setName:(NSString *)name{
    //手动开关
    [self willChangeValueForKey:@"name"];
    _name = name;
    [self didChangeValueForKey:@"name"];
}

使用手动开关的好处就是你想监听就监听，不想监听关闭即可，比自动触发更方便灵活

5、KVO观察：一对多

KVO观察中的一对多，意思是通过注册一个KVO观察者，可以监听多个属性的变化

以下载进度为例，比如目前有一个需求，需要根据总的下载量totalData 和当前下载量currentData 来计算当前的下载进度currentProcess，实现有两种方式

分别观察 总的下载量totalData 和当前下载量currentData 两个属性，当其中一个发生变化计算当前下载进度currentProcess
实现keyPathsForValuesAffectingValueForKey方法，将两个观察合为一个观察，即观察当前下载进度currentProcess

//1、合二为一的观察方法
+ (NSSet *)keyPathsForValuesAffectingValueForKey:(NSString *)key{

    NSSet *keyPaths = [super keyPathsForValuesAffectingValueForKey:key];
    if ([key isEqualToString:@"currentProcess"]) {
        NSArray *affectingKeys = @[@"totalData", @"currentData"];
        keyPaths = [keyPaths setByAddingObjectsFromArray:affectingKeys];
    }
    return keyPaths;
}

//2、注册KVO观察
[self.person addObserver:self forKeyPath:@"currentProcess" options:(NSKeyValueObservingOptionNew) context:NULL];

//3、触发属性值变化
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    self.person.currentData += 10;
    self.person.totalData  += 1;
}

//4、移除观察者
- (void)dealloc{
    [self.person removeObserver:self forKeyPath:@"currentProcess"];
}

6、KVO观察可变数组

KVO是基于KVC基础之上的，所以可变数组如果直接添加数据，是不会调用setter方法的，所有对可变数组的KVO观察下面这种方式不生效的,即直接通过[self.person.dateArray addObject:@"1"];向数组添加元素，是不会触发kvo通知回调的

//1、注册可变数组KVO观察者
self.person.dateArray = [NSMutableArray arrayWithCapacity:1];
    [self.person addObserver:self forKeyPath:@"dateArray" options:(NSKeyValueObservingOptionNew) context:NULL];

//2、KVO回调
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{
    NSLog(@"%@",change);
}

//3、移除观察者
- (void)dealloc{
 [self.person removeObserver:self forKeyPath:@"dateArray"];
}

//4、触发数组添加数据
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    [self.person.dateArray addObject:@"1"];
}

在KVC官方文档中，针对可变数组的集合类型，有如下说明，即访问集合对象需要需要通过mutableArrayValueForKey方法，这样才能将元素添加到可变数组中

image

修改

将4中的代码修改如下

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    // KVC 集合 array
    [[self.person mutableArrayValueForKey:@"dateArray"] addObject:@"1"];
}

运行结果如下，可以看到，元素被添加到可变数组了

image

其中的kind表示键值变化的类型，就是这个枚举

typedef NS_ENUM(NSUInteger, NSKeyValueChange) {
    NSKeyValueChangeSetting = 1,//设值
    NSKeyValueChangeInsertion = 2,//插入
    NSKeyValueChangeRemoval = 3,//移除
    NSKeyValueChangeReplacement = 4,//替换
};

一般的属性与集合的KVO观察是有区别的，其kind不同，以属性name 和 可变数组为例

属性的kind一般是设值
可变数组的kind一般是插入

image

二、 KVO底层原理

官方文档说明

在KVO的官方使用指南中，有如下说明

image

KVO是使用isa-swizzling的技术实现的。
顾名思义，isa指针指向维护分配表的对象的类。该分派表实质上包含指向该类实现的方法的指针以及其他数据。
当为对象的属性注册观察者时，将修改观察对象的isa指针，指向中间类而不是真实类。结果，isa指针的值不一定反映实例的实际类。
您永远不应依靠isa指针来确定类成员身份。相反，您应该使用class方法来确定对象实例的类。

代码调试探索

1、KVO只对属性观察

在LGPerson中有一个成员变量name 和 属性nickName，分别注册KVO观察，触发属性变化时，会有什么现象？

分别为成员变量name 和 属性nickName注册KVO观察

self.person = [[LGPerson alloc] init];
    [self.person addObserver:self forKeyPath:@"nickName" options:(NSKeyValueObservingOptionNew) context:NULL];
     [self.person addObserver:self forKeyPath:@"name" options:(NSKeyValueObservingOptionNew) context:NULL];

KVO通知触发操作

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    NSLog(@"实际情况:%@-%@",self.person.nickName,self.person->name);
    self.person.nickName = @"KC";
     self.person->name    = @"Cooci";
}

运行结果如下

image

【结论】：KVO对成员变量不观察，只对属性观察，属性和成员变量的区别在于属性多一个 setter 方法，而KVO恰好观察的是setter 方法

2、 KVO派生类

根据官方文档所述，在注册KVO观察者后，观察对象的isa指针指向会发生改变

注册观察者之前：实例对象person的isa指针指向LGPerson

image
注册观察者之后：实例对象person的isa指针指向NSKVONotifying_LGPerson

image

综上所述，在注册观察者后，实例对象的isa指针指向由LGPerson类变为了NSKVONotifying_LGPerson KVO派生类，即实例对象的isa指针指向发生了变化

2-1、判断 KVO派生类是否是派生类即子类？

那么这个动态生成的派生类 NSKVONotifying_LGPerson和LGPerson类有什么关系？下面通过代码来验证

可以通过下面封装的方法，获取LGPerson的相关类

#pragma mark - 遍历类以及子类
- (void)printClasses:(Class)cls{

    // 注册类的总数
    int count = objc_getClassList(NULL, 0);
    // 创建一个数组， 其中包含给定对象
    NSMutableArray *mArray = [NSMutableArray arrayWithObject:cls];
    // 获取所有已注册的类
    Class* classes = (Class*)malloc(sizeof(Class)*count);
    objc_getClassList(classes, count);
    for (int i = 0; i

 
 打印结果如下所示 
  
   
     
    
   
  
    image 
   
  
 从结果中可以说明NSKVONotifying_LGPerson是LGPerson的子类 
 2-2、 KVO派生类中有什么？ 
 可以通过下面的方法获取NSKVONotifying_LGPerson类中的所有方法 
 #pragma mark - 遍历方法-ivar-property
- (void)printClassAllMethod:(Class)cls{
    unsigned int count = 0;
    Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
    for (int i = 0; i
 
 输出结果如下 
  
   
     
    
   
   
  
 从结果中可以看出有四个方法，分别是setNickName 、 class 、 dealloc 、 _isKVOA，这些方法是继承还是重写？ 
  
   在LGStudent中重写setNickName方法，获取LGStudent类的所有方法 
    
     
       
      
     
    
      image 
     
   
  
  
 与 KVO派生类的方法进行的对比说明只有重写的方法，才会在子类的方法列表中遍历打印出来，而继承的不会在子类遍历出来 
  
   获取LGPerson和NSKVONotifying_LGPerson的方法列表进行对比 
    
     
       
      
     
     
   
  
  
 综上所述，有如下结论： 
  
   NSKVONotifying_LGPerson 派生类重写了父类LGPerson的setNickName方法 
   
    
     NSKVONotifying_LGPerson 派生类重写了基类NSObject的class 、 dealloc 、 _isKVOA方法 
      
      其中dealloc是释放方法 
       _isKVOA判断当前是否是kvo类 
     
  
    
  
 2-3、dealloc中移除观察者后，isa指向是谁，以及 派生类是否会销毁？ 
  
   移除观察者之前：实例对象的isa指向仍是NSKVONotifying_LGPerson 派生类 
    
     
       
      
     
    
      image 
     
   
  
   移除观察者之后：实例对象的isa指向更改为LGPerson类 
    
     
       
      
     
    
      image 
     
   
  
  
 所以，在移除kvo观察者后，isa的指向由NSKVONotifying_LGPerson变成了LGPerson 
 那么 派生类从创建后，到dealloc方法中移除观察者之后，是否还存在？ 
  
   在上一级界面打印LGPerson的子类情况，用于判断 派生类是否销毁 
    
     
       
      
     
     
   
  
  
 通过子类的打印结果可以看出， 派生类一旦生成，没有移除，没有销毁，还在内存中 -- 主要是考虑重用的想法，即中间类注册到内存中，为了考虑后续的重用问题，所以 派生类一直存在，这样可以减少频繁的添加操作 
 综上所述，关于KVO派生类，有如下说明： 
  
  实例对象isa的指向在注册KVO观察者之后，由原有类更改为指向 KVO派生类 
  中间类重写了观察属性的setter方法、class、dealloc、_isKVOA方法 
  dealloc方法中，移除KVO观察者之后，实例对象isa指向由KVO派生类更改为原有类 
  中间类从创建后，就一直存在内存中，不会被销毁 
  
 总结： KVO是创建派生类实现了键值观察。 
  
   
    
     
      添加：addObserver时，创建了派生类，派生类是当前类的子类，重写了被监听属性的setter方法，并将当前类的isa指向了派生类。
 （此时开始，所有调用本类的方法，都是调用的派生类。派生类中没有的方法，就会沿着继承链查询到本类） 
     
    
     
      赋值： 派生类重写了被监听属性的setter方法，在派生类的setter方法触发时：在willChange之后，didChange之前,调用父类属性settter方法，完成父类属性的赋值`。 
     
    
     
      移除： 在removeObserver后，isa从派生类指回本类。 但创建过的派生类，不会被本类从子类列表中移除，会一直存在。