OC底层原理18 - KVO

简介

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。

在Key-Value Observing Programming Guide官方文档中，又这么一句话：理解KVO之前，必须先理解KVC（即KVO是基于KVC基础之上）。

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，而KVO是键值观察，提供了一种监听机制，当指定的对象的属性被修改后，则对象会收到通知，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。

KVO与NSNotificatioCenter的区别

相同点
- 两者的设计模式都使用观察者模式
- 都是用于对象的监听
- 都能实现一对多的操作
不同点
- KVO只能用于监听对象属性的变化，并且属性名都是通过NSString来查找，编译器不会帮你检测对错和补全,纯手敲会比较容易出错
- NSNotification的发送监听（post）的操作我们可以控制，KVO由系统控制
- KVO可以记录新旧值变化

KVO 使用

基本操作

注册观察者，addObserver:forKeyPath:options:context
- observer参数：注册KVO通知的对象，即观察者；观察者必须实现key-value观察方法：observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:。
- keyPath参数：被观察对象的键值路径，这个值不允许为nil。
- options参数，这是一个NSKeyValueObservingOptions枚举类型。
  - NSKeyValueObservingOptionNew：当告知观察者对象发生变化时，提供新的属性值
  - NSKeyValueObservingOptionOld：当告知观察者对象发生变化时，提供旧的属性值
  - NSKeyValueObservingOptionInitial：通知应该立即发送给观察者，在观察者注册方法甚至返回之前
  - NSKeyValueObservingOptionPrior：在每次更改之前和之后分别向观察者发送通知，而不是在更改之后发送单个通知。这与-willChangeValueForKey:被触发的时间是相对应的。在每次修改属性时，实际上是会发送两条通知。
- context参数：任意的额外数据，我们可以将这些数据作为上下文数据并传递至observeValueForKeyPath:ofObject:change:context方法中。这个参数的意义在于区分同一对象监听同一属性(从属于同一对象)的多个不同的监听。
实现KVO回调，observeValueForKeyPath:ofObject:change:context
- keyPath参数：被观察对象的属性的键值路径，这个值不允许为nil。
- object参数：被观察对象。
- change参数：这是一个字典，它包含了属性被修改的一些信息。这个字典中包含的值会根据我们在添加观察者时设置的options参数的不同而有所不同。change中的内容可通过以下key进行获取。官方提供了以下五种Key。
  1. NSKeyValueChangeKindKey，提供了发生变化类型的信息。
    1. 返回NSKeyValueChangeSetting，表示观察对象被设置了一个新值。
    2. 返回NSKeyValueChangeInsertion，表示一对多关系的对象中有值被插入。
    3. 返回NSKeyValueChangeRemoval，表示一对多关系的对象中有值被移除。
    4. 返回NSKeyValueChangeReplacement，表示一对多关系的对象中有值被替换。
  2. NSKeyValueChangeNewKey：观察对象被设置的新值，需要将options设置成NSKeyValueObservingOptionNew。
  3. NSKeyValueChangeOldKey：观察对象被设置新值之前的旧值，需要将options设置成NSKeyValueObservingOptionOld。
  4. NSKeyValueChangeIndexesKey：当一对多关系的对象中有值被插入、移除或替换，则通过该获取插入、移除或替换的索引。
  5. NSKeyValueChangeNotificationIsPriorKey：当options设置成NSKeyValueObservingOptionPrior选项时，可以使用NSKeyValueChangeNotificationIsPriorKey来获取到通知是否是预先发送的，如果是，获取到的值总是@(YES)。
- context参数：这个值即是添加观察者时提供的上下文信息。
移除观察者，removeObserver:forKeyPath:context、removeObserver:forKeyPath
- observer参数：注册KVO通知的对象，即观察者。
- keyPath参数：被观察对象的键值路径，这个值不允许为nil。
- context参数：这个值即是添加观察者时提供的上下文信息。

移除观察者注意点：

如果还没有注册成观察者，就要求被移除会导致NSRangeException异常。正常情况，一次removeObserver:forKeyPath:context:对应于addObserver:forKeyPath:options:context:。或者在removeObserver:forKeyPath:context:中增加try/catch块处理异常。
当对象被释放时，观察者不会自动移除。被观察对象继续发送通知，发送给已释放对象的更改通知会触发内存访问异常。因此，可以确保观察者在从内存中消失之前删除自己。
KVO协议并不提供接口获取当前对象是否是观察者或被观察者。在构建代码时为了避免相关错误，一个典型方法是在对象初始化的时候注册成观察者(例如在init或viewDidLoad中)，在对象释放的时候移除观察者(通常在dealloc中)。

KVO自动触发和手动触发

自动触发
当类方法automaticallyNotifiesObserversForKey返回YES时，表示自动触发KVO。当返回NO时，关闭自动触发KVO。
NSObject提供了一个基本的自动键值变化通知的实现。但不是所有的方法都能自动触发KVO，以下方法能自动触发KVO

// Call the accessor method.
[account setName:@"Savings"];

//Use setValue:forKey:.
[account setValue:@"Savings" forKey:@"name"];

//Use a key path, where 'account' is a kvc-compliant property of 'document'.
[document setValue:@"Savings" forKeyPath:@"account.name"];

//Use mutableArrayValueForKey: to retrieve a relationship proxy object.
Transaction *newTransaction = <#Create a new transaction for the account#>;
NSMutableArray *transactions = [account mutableArrayValueForKey:@"transactions"];
[transactions addObject:newTransaction];

手动触发
当automaticallyNotifiesObserversForKey返回NO时，可手动触发KVO。如下：属性的setter方法中，在改变value之前调用willChangeValueForKey，在改变value之后调用didChangeValueForKey，

- (void)setName:(NSString *)name{
    if (name != _name) {
        [self willChangeValueForKey:@"name"];
        _name = name;
        [self didChangeValueForKey:@"name"];
    }
}

如果单个操作导致多个属性发生更改，则必须嵌套更改通知。如：

- (void)setBalance:(double)theBalance {
    [self willChangeValueForKey:@"balance"];
    [self willChangeValueForKey:@"itemChanged"];
    _balance = theBalance;
    _itemChanged = _itemChanged+1;
    [self didChangeValueForKey:@"itemChanged"];
    [self didChangeValueForKey:@"balance"];
}

如果集合类型的属性，则在手动触发KVO时，不仅必须指定更改的键，还必须指定更改的类型和涉及的对象的索引。如：

- (void)removeTransactionsAtIndexes:(NSIndexSet *)indexes {
    [self willChange:NSKeyValueChangeRemoval
        valuesAtIndexes:indexes forKey:@"transactions"];
    [self didChange:NSKeyValueChangeRemoval
        valuesAtIndexes:indexes forKey:@"transactions"];
}

注册 Dependent Keys

在许多情况下，一个属性的值依赖于另一个对象中的一个或多个其他属性的值。如果一个属性的值发生了变化，那么派生属性的值也应该被标记为发生了变化。如何确保为这些依赖属性触发键-值观察通知，取决于关系的基数。

一对一情况

当属性发生更改时，手动触发派生属性的KVO。
重写keyPathsForValuesAffectingValueForKey:方法，指明派生属性依赖于哪个属性。
实现类方法keyPathsForValuesAffecting<Key>，指明派生属性依赖于哪个属性。
实现类方法keyPathsForValuesAffectingValueForKey:，指明派生属性依赖于哪个属性。

一对多情况
keyPathsForValuesAffectingValueForKey:方法不能支持to-many的关系。举个例子，比如你有一个 Department 对象，和很多个 Employee 对象。而 Employee 有一个 salary 属性。你可能希望 Department 对象有一个 totalSalary 的属性，依赖于所有的 Employee 的 salary 。
你可以注册 Department 成为所有 Employee 的观察者。当 Employee 被添加或者被移除时，你必须要添加和移除观察者。然后在 observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: 方法中，根据改变做出反馈。

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context {
if (context == totalSalaryContext) {
    [self updateTotalSalary];
}
else
// deal with other observations and/or invoke super...
}
- (void)updateTotalSalary {
[self setTotalSalary:[self valueForKeyPath:@"employees.@sum.salary"]];
}
- (void)setTotalSalary:(NSNumber *)newTotalSalary {
    if (totalSalary != newTotalSalary) {
        [self willChangeValueForKey:@"totalSalary"];
        _totalSalary = newTotalSalary;
        [self didChangeValueForKey:@"totalSalary"];
    }
}
- (NSNumber *)totalSalary {
    return _totalSalary;
}

KVO中的`isa-swizzling`

KVO 的实现用了一种叫isa-swizzling的技术。isa就是指向类的指针，当一个对象的一个属性注册了观察者后，被观察对象的isa就指向了一个系统为我们生成的中间类，而不是我们自己创建的类。在这个类中，系统为我们重写了被观察属性的setter方法。

中间类
注册KVO观察者后，观察对象的isa指向会发生改变，指向了一个NSKVONotifying_xxx的类。带着这个观点，接下来对代码进行调试分析。
【1】验证注册观察者之后，观察对象的isa是否会发生改变，是否会指向一个NSKVONotifying_xxx的类。

//注册观察者之前
(lldb) po object_getClassName(self)
"PersonSwizzling"

//注册观察者之后
(lldb) po object_getClassName(self)
"NSKVONotifying_PersonSwizzling"

//object_getClassName
const char *object_getClassName(id obj) {
    return class_getName(obj ? obj->getIsa() : nil);
}

通过lldb打印信息可以验证，当注册观察者之后，观察对象的isa发生了变化。并且指向了NSKVONotifying_PersonSwizzling的类。

【2】PersonSwizzling 类和 NSKVONotifying_PersonSwizzling 类的关系

//1. 在注册观察者之前，查看当前类的isa以及supperclass
//读取对象地址中的内容
(lldb) x/4g self
0x6000038f8410: 0x0000000106a23e80 0x0000000000000000
0x6000038f8420: 0x00007f984be06dc0 0x0000000000000000
//通过对象的isa找到当前实例对象所指向的类
(lldb) p/x 0x0000000106a23e80 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x0000000106a23e80
//实例对象指向的类：Person类
(lldb) po $1
PersonSwizzling
//读取类地址中的内容
(lldb) x/4g $1
0x106a23e80: 0x0000000106a23ea8 0x00007fff86d54660
0x106a23e90: 0x0000600002ff4740 0x0001801c00000003
//类结构中，第一个参数是类的isa指向，此时指向的是 PersonSwizzling 元类
(lldb) po 0x0000000106a23ea8
PersonSwizzling
//类结构中，第二参数是类的父类，此时指向的是 NSObject 类
(lldb) po 0x00007fff86d54660
NSObject

注册观察者之前

//2. 在注册观察者之后，查看当前类的isa以及supperclass
//读取对象地址中的内容
(lldb) x/4g self
0x6000038f8410: 0x00006000008f81b0 0x0000000000000000
0x6000038f8420: 0x00007f984be06dc0 0x0000000000000000
//通过对象的isa找到当前实例对象所指向的类
(lldb) p/x 0x00006000008f81b0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $5 = 0x00006000008f81b0
//当前实例对象指向的类：NSKVONotifying_PersonSwizzling 类
(lldb) po $5
NSKVONotifying_PersonSwizzling
//读取类地址中的内容
(lldb) x/4g $5
0x6000008f81b0: 0x00006000008f8240 0x0000000106a23e80
0x6000008f81c0: 0x00007fff20193d20 0x0000000400000000
//类结构中，第一个参数是类的isa指向，此时指向的是 NSKVONotifying_PersonSwizzling 元类
(lldb) po 0x00006000008f8240
NSKVONotifying_PersonSwizzling
//类结构中，第二参数是类的父类，此时指向的是 PersonSwizzling 类
(lldb) po 0x0000000106a23e80
PersonSwizzling

注册观察者之后

由lldb中可以看出，当注册观察后，原本实例对象的isa由指向PersonSwizzling类修改成指向NSKVONotifying_PersonSwizzling类，而NSKVONotifying_PersonSwizzling类的父类是PersonSwizzling类。

【3】NSKVONotifying_PersonSwizzling 类中有什么方法？
1、通过class_copyMethodList方法获取类的方法列表
2、遍历方法列表，获取每个方法的SEL和IMP

- (void)printClassAllMethod:(Class)cls{
    unsigned int outCount = 0;
    Method* methodList = class_copyMethodList(cls, &outCount);
    for(int i = 0; i<outCount; i++){
        Method method = methodList[i];
        SEL sel = method_getName(method);
        IMP imp = method_getImplementation(method);
        NSLog(@"sel:%@, imp:%p", NSStringFromSelector(sel), imp);
    }
    free(methodList);
}

通过lldb打印输出可查看到NSKVONotifying_PersonSwizzling类中方法的SEL和IMP。

2021-03-19 15:47:34.199551+0800 KVODemo[93742:5454700] sel:setName:, imp:0x7fff207bbb57(Foundation`_NSSetObjectValueAndNotify)
2021-03-19 15:47:39.892224+0800 KVODemo[93742:5454700] sel:class, imp:0x7fff207ba662(Foundation`NSKVOClass)
2021-03-19 15:47:45.109027+0800 KVODemo[93742:5454700] sel:dealloc, imp:0x7fff207ba40b(Foundation`NSKVODeallocate)
2021-03-19 15:47:50.819430+0800 KVODemo[93742:5454700] sel:_isKVOA, imp:0x7fff207ba403(Foundation`NSKVOIsAutonotifying)

setName：观察属性的setter方法
class：获取类的方法
dealloc：对象释放的方法
_isKVOA：判断是否自动触发KVO的方法

中间类总结
- 在注册观察者之后，实例对象的isa会指向一个由系统生成的NSKVONotifying_PersonSwizzling类，NSKVONotifying_PersonSwizzling继承自NSKVONotifying_PersonSwizzling。
- 在移除观察者之后，实例对象的isa会修改回指向PersonSwizzling类
- NSKVONotifying_PersonSwizzling类中会重写观察属性的setter方法、class方法、dealloc方法、_isKVOA方法。
- NSKVONotifying_PersonSwizzling类一旦注册到内存中，为了考虑后续的重用问题，中间类将一直存在内存中。
自定义KVO
大概了解了KVO的过程，接下来根据了解的KVO的三步骤自定义VKO流程。
- 注册观察者：
  1. 判断对象属性是否有Setter方法，若没有的话，则不允许继续执行KVO
  2. 动态生成子类（重点）
    2.1 获取当前类的类名，拼接当前类名，生成一个新的类名HQKVONotifying_xxx
    2.2 根据新的类名，通过NSClassFromString函数获取一个类结构的指针
    2.3 使用objc_allocateClassPair完善新的类
    2.4 通过objc_registerClassPair函数将类注册至内存
    2.5 重写新类的class方法，如果没有重映射，自定的KVO在注册前后的实例对象person的class就会看到是不一致的，返回的isa更改后的类，即中间类
    2.6 重写新类的setter方法
    2.7 重写新类的delloc方法
  3. 修改实例对象的isa，使它指向新生成的类
  4. 保存当前观察者信息
- 当观察属性被设值时
  1. 将设值的信息先发送给父类，让父类完全属性值的设置
  2. 发送通知hq_observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:，通知观察者当前属性的值发生了变化。
- 移除观察者
  1. 将关联对象中保存的观察者信息删掉
  2. 将实例对象的isa重新指回原来的类

自定义KVO Demo

本文中的示例，及自定义KVO 请见Demo地址

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