KVO原理分析及使用进阶

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我们在工作中经常会用到KVO,但是系统原生的KVO并不好用,很容易导致Crash。而且编写代码时,需要编写大量KVO相关的代码,由于不支持block的形式,代码会写的很分散。

本篇文章对KVO的实现原理进行了详细的分析,并且简单的实现了一个KVO,来当做技术交流。由于系统提供的KVO存在很多问题,在文章的最下面给出了解决方案。


博客配图

概述

KVO全称KeyValueObserving,是苹果提供的一套事件通知机制。允许对象监听另一个对象特定属性的改变,并在改变时接收到事件。由于KVO的实现机制,所以对属性才会发生作用,一般继承自NSObject的对象都默认支持KVO

KVONSNotificationCenter都是iOS中观察者模式的一种实现。区别在于,相对于被观察者和观察者之间的关系,KVO是一对一的,而不一对多的。KVO对被监听对象无侵入性,不需要修改其内部代码即可实现监听。

KVO可以监听单个属性的变化,也可以监听集合对象的变化。通过KVCmutableArrayValueForKey:等方法获得代理对象,当代理对象的内部对象发生改变时,会回调KVO监听的方法。集合对象包含NSArrayNSSet

基础使用

使用KVO分为三个步骤:

  1. 通过addObserver:forKeyPath:options:context:方法注册观察者,观察者可以接收keyPath属性的变化事件。
  2. 在观察者中实现observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法,当keyPath属性发生改变后,KVO会回调这个方法来通知观察者。
  3. 当观察者不需要监听时,可以调用removeObserver:forKeyPath:方法将KVO移除。需要注意的是,调用removeObserver需要在观察者消失之前,否则会导致Crash

注册方法

在注册观察者时,可以传入options参数,参数是一个枚举类型。如果传入NSKeyValueObservingOptionNewNSKeyValueObservingOptionOld表示接收新值和旧值,默认为只接收新值。如果想在注册观察者后,立即接收一次回调,则可以加入NSKeyValueObservingOptionInitial枚举。

还可以通过方法context传入任意类型的对象,在接收消息回调的代码中可以接收到这个对象,是KVO中的一种传值方式。

在调用addObserver方法后,KVO并不会对观察者进行强引用,所以需要注意观察者的生命周期,否则会导致观察者被释放带来的Crash

监听方法

观察者需要实现observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法,当KVO事件到来时会调用这个方法,如果没有实现会导致Crashchange字典中存放KVO属性相关的值,根据options时传入的枚举来返回。枚举会对应相应key来从字典中取出值,例如有NSKeyValueChangeOldKey字段,存储改变之前的旧值。

change中还有NSKeyValueChangeKindKey字段,和NSKeyValueChangeOldKey是平级的关系,来提供本次更改的信息,对应NSKeyValueChange枚举类型的value。例如被观察属性发生改变时,字段为NSKeyValueChangeSetting

如果被观察对象是集合对象,在NSKeyValueChangeKindKey字段中会包含NSKeyValueChangeInsertionNSKeyValueChangeRemovalNSKeyValueChangeReplacement的信息,表示集合对象的操作方式。

兼容的调用方式

调用KVO属性对象时,不仅可以通过点语法和set语法进行调用,KVO兼容很多种调用方式。

// 直接调用set方法,或者通过属性的点语法间接调用
[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"];

// 通过mutableArrayValueForKey:方法获取到代理对象,并使用代理对象进行操作
Transaction *newTransaction = <#Create a new transaction for the account#>;
NSMutableArray *transactions = [account mutableArrayValueForKey:@"transactions"];
[transactions addObject:newTransaction];

实际应用

KVO主要用来做键值观察操作,想要一个值发生改变后通知另一个对象,则用KVO实现最为合适。斯坦福大学的iOS教程中有一个很经典的案例,通过KVOModelController之间进行通信。

斯坦福大学 KVO示例

注意点

KVOaddObserverremoveObserver需要是成对的,如果重复remove则会导致NSRangeException类型的Crash,如果忘记remove则会在观察者释放后再次接收到KVO回调时Crash

苹果官方推荐的方式是,在init的时候进行addObserver,在deallocremoveObserver,这样可以保证addremove是成对出现的,是一种比较理想的使用方式。

手动调用KVO

KVO在属性发生改变时的调用是自动的,如果想要手动控制这个调用时机,或想自己实现KVO属性的调用,则可以通过KVO提供的方法进行调用。

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

可以看到调用KVO主要依靠两个方法,在属性发生改变之前调用willChangeValueForKey:方法,在发生改变之后调用didChangeValueForKey:方法。

如果想控制当前对象的自动调用过程,也就是由上面两个方法发起的KVO调用,则可以重写下面方法。方法返回YES则表示可以调用,如果返回NO则表示不可以调用。

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

实现原理

KVO是通过isa-swizzling技术实现的(这句话是整个KVO实现的重点)。在运行时根据原类创建一个中间类,这个中间类是原类的子类,并动态修改当前对象的isa指向中间类。并且将class方法重写,返回原类的Class。所以苹果建议在开发中不应该依赖isa指针,而是通过class实例方法来获取对象类型。

测试代码

为了测试KVO的实现方式,我们加入下面的测试代码。首先创建一个KVOObject类,并在里面加入两个属性,然后重写description方法,并在内部打印一些关键参数。

@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 @"";
}

在另一个类中分别创建两个KVOObject对象,其中一个对象被观察者通过KVO的方式监听,另一个对象则始终没有被监听。在KVO前后分别打印两个对象的关键信息,看KVO前后有什么变化。

@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前后打印的关键信息,我们在下面做详细分析。

// 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

我们发现对象被KVO后,其真正类型变为了NSKVONotifying_KVOObject类,已经不是之前的类了。KVO会在运行时动态创建一个新类,将对象的isa指向新创建的类,新类是原类的子类,命名规则是NSKVONotifying_xxx的格式。KVO为了使其更像之前的类,还会将对象的class实例方法重写,使其更像原类。

在上面的代码中还发现了_isKVOA方法,这个方法可以当做使用了KVO的一个标记,系统可能也是这么用的。如果我们想判断当前类是否是KVO动态生成的类,就可以从方法列表中搜索这个方法。

重写setter方法

KVO调用栈

KVO会重写keyPath对应属性的setter方法,没有被KVO的属性则不会重写其setter方法。在重写的setter方法中,修改值之前会调用willChangeValueForKey:方法,修改值之后会调用didChangeValueForKey:方法,这两个方法最终都会被调用到observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法中。

object_getClass

为什么上面调用runtimeobject_getClass函数,就可以获取到真正的类呢?

调用object_getClass函数后其返回的是一个Class类型,Classobjc_class定义的一个typedef别名,通过objc_class就可以获取到对象的isa指针指向的Class,也就是对象的类对象。

由此可以推测,object_getClass函数内部返回的是对象的isa指针。

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
}

缺点

苹果提供的KVO自身存在很多问题,首要问题在于,KVO如果使用不当很容易崩溃。例如重复addremove导致的CrashObserver被释放导致的崩溃,keyPath传错导致的崩溃等。

在调用KVO时需要传入一个keyPath,由于keyPath是字符串的形式,所以其对应的属性发生改变后,字符串没有改变容易导致Crash。我们可以利用系统的反射机制将keyPath反射出来,这样编译器可以在@selector()中进行合法性检查。

NSStringFromSelector(@selector(isFinished))

KVO是一种事件绑定机制的实现,在keyPath对应的值发生改变后会回调对应的方法。这种数据绑定机制,在对象关系很复杂的情况下,很容易导致不好排查的bug。例如keyPath对应的属性被调用的关系很复杂,就不太建议对这个属性进行KVO,可以想一下RAC的信号脑补一下。

自己实现KVO

除了上面的缺点,KVO还不支持block语法,需要单独重写父类方法,这样加上addremove方法就会导致代码很分散。所以,我通过runtime简单的实现了一个KVO,源码放在我的Github上,叫做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)];

调用代码很简单,直接通过lxz_addObserver:originalSelector:callback:方法就可以添加KVO的监听,可以通过callbackblock接收属性发生改变后的回调,而且方法的keyPath接收的是一个SEL类型参数,所以可以通过@selector()传入参数时进行方法合法性检查,如果是未实现的方法直接就会报警告。

通过lxz_removeObserver:originalSelector:方法传入观察者和keyPath,当观察者所有keyPath都移除后则从KVO中移除观察者对象。

如果重复addObserverremoveObserver也没事,内部有判断逻辑。EasyKVO内部通过weak对观察者做引用,并不会影响观察者的生命周期,并且在观察者释放后不会导致Crash。一次add方法调用对应一个block,如果观察者监听多个keyPath属性,不需要在block回调中判断keyPath

注意

需要注意的是,EasyKVO只是做技术交流,不建议在项目中使用。因为KVO实现需要考虑很多情况,继承关系、多个观察者等很多问题。

KVOController

想在项目中安全便捷的使用KVO的话,推荐Facebook的一个KVO开源第三方框架-KVOControllerKVOController本质上是对系统KVO的封装,具有原生KVO所有的功能,而且规避了原生KVO的很多问题,兼容blockaction两种回调方式。

源码分析

从源码来看还是比较简单的,主要分为NSObjectCategoryFBKVOController两部分。

FBKVOController

Category中提供了KVOControllerKVOControllerNonRetaining两个属性,顾名思义第一个会对observer产生强引用,第二个则不会。其内部代码就是创建FBKVOController对象的代码,并将创建出来的对象赋值给Category的属性,直接通过这个Category就可以懒加载创建FBKVOController对象。

- (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

FBKVOController中分为三部分,_FBKVOInfo是一个私有类,这个类的功能很简单,就是以结构化的形式保存FBKVOController所需的各个对象,类似于模型类的功能。

还有一个私有类_FBKVOSharedController,这是FBKVOController框架实现的关键。从命名上可以看出其是一个单例,所有通过FBKVOController实现的KVO,观察者都是它。每次通过FBKVOController添加一个KVO时,_FBKVOSharedController都会将自己设为观察者,并在其内部实现observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法,将接收到的消息通过blockaction进行转发。

其功能很简单,通过observe:info:方法添加KVO监听,并用一个NSHashTable保存_FBKVOInfo信息。通过unobserve:info:方法移除监听,并从NSHashTable中将对应的_FBKVOInfo移除。这两个方法内部都会调用系统的KVO方法。

在外界使用时需要用FBKVOController类,其内部实现了初始化以及添加和移除监听的操作。在调用添加监听方法后,其内部会创建一个_FBKVOInfo对象,并通过一个NSMapTable对象进行持有,然后会调用_FBKVOSharedController来进行注册监听。

使用FBKVOController的话,不需要手动调用removeObserver方法,在被监听对象消失的时候,会在dealloc中调用remove方法。如果因为业务需求,可以手动调用remove方法,重复调用remove方法不会有问题。

- (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];
}

因为FBKVOController的实现很简单,所以这里就很简单的讲讲,具体实现可以去Github下载源码仔细分析一下。