iOS底层原理总结 - 探寻KVO本质

iOS底层原理总结 - 探寻KVO本质

对小码哥底层班视频学习的总结与记录。

面试题：iOS用什么方式实现对一个对象的KVO？（KVO的本质是什么？）

  • 首先需要了解KVO基本使用，KVO的全称 Key-Value Observing，俗称“键值监听”，可以用于监听某个对象属性值的改变。
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    self.person1 = [[MJPerson alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    self.person2 = [[MJPerson alloc]init];
    self.person2.age = 2;
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"123"];
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    self.person1.age = 10;
    self.person2.age = 20;
    
}
- (void)dealloc {
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
 
}
// 当监听对象的属性值发生改变时，就会调用
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context
{
    NSLog(@"监听到%@的%@属性值改变了 - %@ - %@", object, keyPath, change, context);
}
//打印结果如下：
监听到<MJPerson: 0x2830605c0>的age属性值改变了 - {
    kind = 1;
    new = 10;//新赋值数据
    old = 1;//旧赋值数据 NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld
} - 123 //添加监听时的上下文
  • 上述代码可以看出，p1添加observer后，一旦age属性值发生改变，会立刻通知observer，执行observer的observeValueForKeyPath方法。

探寻KVO底层实现原理

  • 通过上述代码我们发现，一旦age属性的值发生改变时，就会通知到监听者，并且我们知道赋值操作都是调用 set方法，我们可以来到Person类中重写age的set方法，观察是否是KVO在set方法内部做了一些操作来通知监听者。
  • 我们发现即使重写了set方法，p1对象和p2对象调用同样的set方法，但是我们发现p1除了调用set方法之外还会另外执行监听器的observeValueForKeyPath方法。
  • 说明KVO在运行时获取对p1对象做了一些改变。相当于在程序运行过程中，对p1对象做了一些变化，使得p1对象在调用setage方法的时候可能做了一些额外的操作，所以问题出在对象身上，两个对象在内存中肯定不一样，两个对象可能本质上并不一样。接下来来探索KVO内部是怎么实现的。

KVO底层实现分析

  • 通过上述代码我们发现，一旦age属性的值发生改变时，就会通知到监听者，并且我们知道赋值操作都是调用 set方法，我们可以来到Person类中重写age的set方法，观察是否是KVO在set方法内部做了一些操作来通知监听者。
  • 我们发现即使重写了set方法，p1对象和p2对象调用同样的set方法，但是我们发现p1除了调用set方法之外还会另外执行监听器的observeValueForKeyPath方法。
  • 说明KVO在运行时获取对p1对象做了一些改变。相当于在程序运行过程中，对p1对象做了一些变化，使得p1对象在调用setage方法的时候可能做了一些额外的操作，所以问题出在对象身上，两个对象在内存中肯定不一样，两个对象可能本质上并不一样。接下来来探索KVO内部是怎么实现的。

KVO底层实现分析

  • 我们分别将断点打到添加监听之前跟之后


    监听之前isa指针.png

    监听之后isa指针.png
  • 通过上图我们发现，p1对象执行过addObserver操作之后，p1对象的isa指针由之前的指向类对象Person变为指向NSKVONotifyin_Person类对象，而p2对象没有任何改变。也就是说一旦p1对象添加了KVO监听以后，其isa指针就会发生变化，因此set方法的执行效果就不一样了。
  • 那么我们先来观察p2对象在内容中是如何存储的，然后对比p2来观察p1。

  • 首先我们知道，p2在调用setage方法的时候，首先会通过p2对象中的isa指针找到Person类对象，然后在类对象中找到setage方法。然后找到方法对应的实现。如下图所示


    p2实例对象调用setage方法路径.png
  • 但是刚才我们发现p1对象的isa指针在经过KVO监听之后已经指向了NSKVONotifyin_Person类对象，NSKVONotifyin_Person其实是Person的子类，那么也就是说其superclass指针是指向Person类对象的，NSKVONotifyin_Person是runtime在运行时生成的。那么p1对象在调用setage方法的时候，肯定会根据p1的isa找到NSKVONotifyin_Person，在NSKVONotifyin_Person中找setage的方法及实现。
  • 经过查阅资料我们可以了解到。
  • NSKVONotifyin_Person中的setage方法中其实调用了 Fundation框架中C语言函数 _NSsetIntValueAndNotify，_NSsetIntValueAndNotify内部做的操作相当于，首先调用willChangeValueForKey 将要改变方法，之后调用父类的setage方法对成员变量赋值，最后调用didChangeValueForKey已经改变方法。didChangeValueForKey中会调用监听器的监听方法，最终来到监听者的observeValueForKeyPath方法中。

代码求证KVO实现流程

  • 我们分别将断点打到添加监听之前跟之后
  • 通过上图我们发现，p1对象执行过addObserver操作之后，p1对象的isa指针由之前的指向类对象Person变为指向NSKVONotifyin_Person类对象，而p2对象没有任何改变。也就是说一旦p1对象添加了KVO监听以后，其isa指针就会发生变化，因此set方法的执行效果就不一样了。
  • 那么我们先来观察p2对象在内容中是如何存储的，然后对比p2来观察p1。
  • 首先我们知道，p2在调用setage方法的时候，首先会通过p2对象中的isa指针找到Person类对象，然后在类对象中找到setage方法。然后找到方法对应的实现。如下图所示
  • 但是刚才我们发现p1对象的isa指针在经过KVO监听之后已经指向了NSKVONotifyin_Person类对象，NSKVONotifyin_Person其实是Person的子类，那么也就是说其superclass指针是指向Person类对象的，NSKVONotifyin_Person是runtime在运行时生成的。那么p1对象在调用setage方法的时候，肯定会根据p1的isa找到NSKVONotifyin_Person，在NSKVONotifyin_Person中找setage的方法及实现。
  • 经过查阅资料我们可以了解到。
  • NSKVONotifyin_Person中的setage方法中其实调用了 Fundation框架中C语言函数 _NSsetIntValueAndNotify，_NSsetIntValueAndNotify内部做的操作相当于，首先调用willChangeValueForKey 将要改变方法，之后调用父类的setage方法对成员变量赋值，最后调用didChangeValueForKey已经改变方法。didChangeValueForKey中会调用监听器的监听方法，最终来到监听者的observeValueForKeyPath方法中。

代码求证KVO实现流程

  • 首先经过之前打断点打印isa指针，我们已经验证了，在执行添加监听的方法时，会将isa指针指向一个通过runtime创建的Person的子类NSKVONotifyin_Person。即：给p1添加observer后，在runtime时期动态创建MJPerson类对象的子类即NSKVONotifyin_Person类对象，修改p1的isa指针指向为NSKVONotifyin_Person类对象；
  • 另外我们可以通过打印方法实现的地址来看一下p1和p2的setage的方法实现的地址在添加KVO前后有什么变化。
// 通过methodForSelector找到方法实现的地址
NSLog(@"添加KVO监听之前 - p1 = %p, p2 = %p", [p1 methodForSelector: @selector(setAge:)],[p2 methodForSelector: @selector(setAge:)]);
    
NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
[p1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];

NSLog(@"添加KVO监听之后 - p1 = %p, p2 = %p", [p1 methodForSelector: @selector(setAge:)],[p2 methodForSelector: @selector(setAge:)]);
监听之前的IMP地址.png

监听之后的IMP地址.png
  • 我们发现在添加KVO监听之前，p1和p2的setAge方法实现的地址相同，而经过KVO监听之后，p1的setAge方法实现的地址发生了变化，我们通过打印方法实现来看一下前后的变化发现，确实如我们上面所讲的一样，p1的setAge方法的实现由Person类方法中的setAge方法转换为了C语言的Foundation框架的_NSsetIntValueAndNotify函数。

  • Foundation框架中会根据属性的类型，调用不同的方法。例如我们之前定义的int类型的age属性，那么我们看到Foundation框架中调用的_NSsetIntValueAndNotify函数。那么我们把age的属性类型变为double重新打印一遍


    _NSSetDoubleValueAndNotify函数.png
  • 我们发现调用的函数变为了_NSSetDoubleValueAndNotify，那么这说明Foundation框架中有许多此类型的函数，通过属性的不同类型调用不同的函数。

  • 那么我们可以推测Foundation框架中还有很多例如_NSSetBoolValueAndNotify、_NSSetCharValueAndNotify、_NSSetFloatValueAndNotify、_NSSetLongValueAndNotify等等函数。
    我们可以找到Foundation框架文件，通过命令行查询关键字找到相关函数


    相关函数.png

NSKVONotifyin_Person内部结构是怎样的？

  • 首先我们知道，NSKVONotifyin_Person作为Person的子类，其superclass指针指向Person类，并且NSKVONotifyin_Person内部一定对setAge方法做了单独的实现，那么NSKVONotifyin_Person同Person类的差别可能就在于其内存储的对象方法及实现不同。
  • 我们通过runtime分别打印Person类对象和NSKVONotifyin_Person类对象内存储的对象方法
#import "ViewController.h"
#import "MJPerson.h"
#import <objc/runtime.h>

@interface ViewController ()
@property (strong, nonatomic) MJPerson *person1;
@property (strong, nonatomic) MJPerson *person2;
@end

//@implementation NSObject
//
//- (Class)class
//{
//    return object_getClass(self);
//}
//
//@end

// 反编译工具 - Hopper

@implementation ViewController

- (void)printMethodNamesOfClass:(Class)cls
{
    unsigned int count;
    // 获得方法数组
    Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
    
    // 存储方法名
    NSMutableString *methodNames = [NSMutableString string];
    
    // 遍历所有的方法
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        // 获得方法
        Method method = methodList[i];
        // 获得方法名
        NSString *methodName = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        // 拼接方法名
        [methodNames appendString:methodName];
        [methodNames appendString:@", "];
    }
    
    // 释放
    free(methodList);
    
    // 打印方法名
    NSLog(@"%@ %@", cls, methodNames);
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    self.person1 = [[MJPerson alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    self.person2 = [[MJPerson alloc] init];
    self.person2.age = 2;
    
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"123"];
    
    [self printMethodNamesOfClass:object_getClass(self.person1)];
    [self printMethodNamesOfClass:object_getClass(self.person2)];
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
//    [self.person1 setAge:21];
    
    [self.person1 willChangeValueForKey:@"age"];
    [self.person1 didChangeValueForKey:@"age"];
}

- (void)dealloc {
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

// observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:
// 当监听对象的属性值发生改变时，就会调用
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context
{
    NSLog(@"监听到%@的%@属性值改变了 - %@ - %@", object, keyPath, change, context);
}

  • 打印结果如下图


    runtime 打印结果.png

  • 通过上述代码我们发现NSKVONotifyin_Person中有4个对象方法。分别为setAge: class dealloc _isKVOA，那么至此我们可以画出NSKVONotifyin_Person的内存结构以及方法调用顺序。


    NSKVONotifyin_Person内存结构以及方法调用顺序.png
  • 这里NSKVONotifyin_Person重写class方法是为了隐藏NSKVONotifyin_Person。不被外界所看到。我们在p1添加过KVO监听之后，分别打印p1和p2对象的class可以发现他们都返回Person。
NSLog(@"p1 = %@,p2 = %@",[self.person1 class],[self.person2 class]);
//打印结果如下：
 p1 = MJPerson,p2 = MJPerson
  • 如果NSKVONotifyin_Person不重写class方法，那么当对象要调用class对象方法的时候就会一直向上找来到nsobject，而nsobect的class的实现大致为返回自己isa指向的类，返回p1的isa指向的类那么打印出来的类就是NSKVONotifyin_Person，但是apple不希望将NSKVONotifyin_Person类暴露出来，并且不希望我们知道NSKVONotifyin_Person内部实现，所以在内部重写了class类，直接返回Person类，所以外界在调用p1的class对象方法时，是Person类。这样p1给外界的感觉p1还是Person类，并不知道NSKVONotifyin_Person子类的存在。
  • 那么我们可以猜测NSKVONotifyin_Person内重写的class内部实现大致为
- (Class) class {
     // 得到类对象，在找到类对象父类
     return class_getSuperclass(object_getClass(self));
}

面试题：如何手动触发KVO

验证didChangeValueForKey:内部会调用observer的observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法

  • 我们在Person类中重写willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:方法，模拟他们的实现。
- (void)setAge:(int)age
{
    NSLog(@"setAge:");
    _age = age;
}
- (void)willChangeValueForKey:(NSString *)key
{
    NSLog(@"willChangeValueForKey: - begin");
    [super willChangeValueForKey:key];
    NSLog(@"willChangeValueForKey: - end");
}
- (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key
{
    NSLog(@"didChangeValueForKey: - begin");
    [super didChangeValueForKey:key];
    NSLog(@"didChangeValueForKey: - end");
}

  • 再次运行来查看didChangeValueForKey的方法内运行过程，通过打印内容可以看到，确实在didChangeValueForKey方法内部已经调用了observer的observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法。


    调用顺序.png
  • 通过打印我们可以发现，didChangeValueForKey方法内部成功调用了observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:，并且age的值并没有发生改变。

补充：

面试题：直接修改成员变量会触发KVO吗？

  • 代码如下：
//MJPerson.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MJPerson : NSObject
{
    @public
    int _age;
}
@property (assign, nonatomic) int age;
@end

//ViewController.m
#import "ViewController.h"
#import "MJPerson.h"
#import <objc/runtime.h>

@interface ViewController ()
@property (strong, nonatomic) MJPerson *person1;
@property (strong, nonatomic) MJPerson *person2;
@end


@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    self.person1 = [[MJPerson alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    
    
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"123"];
    
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
//    [self.person1 setAge:21];
    self.person1->_age = 2;
}

- (void)dealloc {
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

// observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:
// 当监听对象的属性值发生改变时，就会调用
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context
{
    NSLog(@"监听到%@的%@属性值改变了 - %@ - %@", object, keyPath, change, context);
}

@end
  • 经过代码运行，不能出发KVO；因为想要触发KVO，要重写set方法，而直接赋值并没有触发set方法；

面试题：通过KVC修改属性会触发KVO么？

  • KVC的全称是Key-Value Coding，俗称“键值编码”，可以通过一个key来访问某个属性
  • 常见的API有
    • 设置属性值：- (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;
      *设置属性值 - (void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;
      *获取属性值： - (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;
    • 获取属性值：- (id)valueForKey:(NSString *)key;
  • key 跟keypath的区别就是：key 是单纯当前调用对象的某个特定属性名字，keypath既可以是某个特定属性名字，也可以是某个路径下查找的名字
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "MJPerson.h"
#import "MJObserver.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MJObserver *observer = [[MJObserver alloc] init];
        MJPerson *person = [[MJPerson alloc] init];
        
        // 添加KVO监听
        [person addObserver:observer forKeyPath:@"age" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:NULL];
        
        // 通过KVC修改age属性
        [person setValue:@10 forKey:@"age"];
        
        // setAge:
        
        // 移除KVO监听
        [person removeObserver:observer forKeyPath:@"age"];
        
        

        
    
    }
    return 0;
}

  • 运行打印结果


    kvc赋值触发kvo.png

KVC赋值和查找顺序

KVC赋值顺序.png

KVC取值顺序.png

面试题回答

iOS用什么方式实现对一个对象的KVO？（KVO的本质是什么？）

  • 答. 当一个对象使用了KVO监听，iOS系统会修改这个对象的isa指针，改为指向一个全新的通过Runtime动态创建的子类，子类拥有自己的set方法实现，set方法实现内部会顺序调用willChangeValueForKey方法、原来的setter方法实现、didChangeValueForKey方法，而didChangeValueForKey方法内部又会调用监听器的observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:监听方法。

如何手动触发KVO

  • 答. 被监听的属性的值被修改时，就会自动触发KVO。如果想要手动触发KVO，则需要我们自己调用willChangeValueForKey和didChangeValueForKey方法即可在不改变属性值的情况下手动触发KVO，并且这两个方法缺一不可。

直接修改成员变量会触发KVO吗？

  • 答：不会触发

通过KVC修改属性会触发KVO么？

  • 答：会触发

KVC的赋值和取值过程是怎样的？原理是什么？

  • 答：看上面两个图片
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