iOS的KVO和KVC底层原理

1. KVO

一.KVO原理的使用与证明

我们在开发的过程中经常使用KVO和KVC,但是我们并不了解其底层原理和功能,今天我们来详细了解下底层原理.
KVO的机制比较隐蔽,所以我们通过写代码的方式去验证:
新建类Person

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, assign) int age;
@end

#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)setAge:(int)age
{
    _age = age;
}
@end

给新建的Person类创建对象person1与person2，并对person1的age属性添加observer(键值观察)。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[Person alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    self.person2 = [[Person alloc] init];
    self.person2.age = 2;
    /* 
    options: 有4个值，分别是：
    NSKeyValueObservingOptionOld 把更改之前的值提供给处理方法 
    NSKeyValueObservingOptionNew 把更改之后的值提供给处理方法 
    NSKeyValueObservingOptionInitial 把初始化的值提供给处理方法，一旦注册，立马就会调用一次。通常它会带有新值，而不会带有旧值。 
    NSKeyValueObservingOptionPrior 分2次调用。在值改变之前和值改变之后。 
   */
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"观察者"];
}

为了测试方便，点击屏幕改变age的值,在- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event方法里面修改person1的age属性值。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    self.person1.age = 22;
}
//当key路径对应的属性值发生改变时，监听器就会回调自身的监听方法，如下
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath
                      ofObject:(id)object
                        change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change
                       context:(void *)contex
    
}

控制器销毁了，应当及时移除观察者。

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

触摸手机屏幕,获得log.

2019-07-16 15:18:33.167839+0800 Student[1390:114826] 监听到<Person: 0x60000392c570>的age属性值改变了 - {
    kind = 1;
    new = 22;
    old = 1;
} - 观察者

想知道KVO都做了什么我们可以通过观察isa和对象的指针.


person1-isa的指针的变化.png

person1的isa指针居然由Person变成了NSKVONotifying_Person，我们知道实例对象(person1、person2)的isa指针指向类对象(关于isa指针方面的知识，可以参考这篇文章，讲得比较容易理解。浅谈Objective-C的对象本质的理解)，这样一来也就说明person1的直接类对象并不是Person，而是NSKVONotifying_Person这个类。
我们还可以进一步的确实是否生成了NSKVONotifying_Person这个类,我们在项目中创建一个NSKVONotifying_Person的类,再次运行项目的时候会报错:

2019-07-16 15:39:45.191295+0800 Student[1576:124208] [general] KVO failed to allocate 
class pair for name NSKVONotifying_Person, automatic key-value observing will not
 work for this class

同过这两种方式说明了当我们为person1的属性添加了观察者模式的之后,系统通过runtime会动态为我们创建一个继承自Person的类NSKVONotifying_Person.

其他证明KVO机制的方法
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[Person alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    self.person2 = [[Person alloc] init];
    self.person2.age = 2;
    
    NSLog(@"person1添加KVO监听之前 - %p %p",
          [self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)],
          [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"kvo监听"];
    NSLog(@"person1添加KVO监听之后 - %p %p",
          [self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)],
          [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
}
//log日志:添加kvo机制前后isa指向的变化
2019-07-17 09:29:40.806381+0800 Student[1395:28559] person1添加KVO监听之前 - 0x10a930570 0x10a930570
2019-07-17 09:29:40.806719+0800 Student[1395:28559] person1添加KVO监听之后 - 0x10ac8b3d2 0x10a930570
(lldb) p IMP(0x10a930570)
(IMP) $0 = 0x000000010a930570 (Student`-[Person setAge:] at Person.m:13)
(lldb) p IMP(0x10ac8b3d2)
(IMP) $1 = 0x000000010ac8b3d2 (Foundation`_NSSetIntValueAndNotify)

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[Person alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    self.person2 = [[Person 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:@"kvo监听"];
    NSLog(@"类对象 - %@ %@",
          object_getClass(self.person1),  // self.person1.isa
          object_getClass(self.person2)); // self.person2.isa
    
    NSLog(@"元类对象 - %@ %@",
          object_getClass(object_getClass(self.person1)), // self.person1.isa.isa
          object_getClass(object_getClass(self.person2))); // self.person2.isa.isa
}
//log日志:添加kvo机制前后isa指向的变化
2019-07-17 09:37:58.106744+0800 Student[1477:31924] 类对象 - NSKVONotifying_Person Person
2019-07-17 09:37:58.106895+0800 Student[1477:31924] 元类对象 - NSKVONotifying_Person Person

二. KVO的结构

kvo的全称是Key-Value Observing,俗称"键值监听",可以用与监听某个对象属性值的改变.


未使用kvo.png
使用kvo.png
kvo的原理.png

NSKVONotifying_MJperson中的class是重写父类的class方法,原因是屏蔽内部实现,隐藏NSKVONotifying_MJperson类.
NSKVONotifying_MJperson是Runtime动态创建的一个类,是MJperson的一个子类.NSKVONotifying_MJperson的set方法会调用.
子类的set方法的实现:

-(void)setAge:(int) age{
    //Foundation框架的_NSSetIntValueAndNotify的方法.
    _NSSetIntValueAndNotify();
}

_NSSetIntValueAndNotify中调用了:

[self willChangeValueForkey:@"age"];
[super setAge:age];
[self didChangeValueForkey:@"age"];

didChangeValueForkey的实现:

-(void)didChangeValueForkey:(NSString *)key{
    //通知监听器,某某属性发生了改变
    [oberser observeValueForKeyPath:key ofObject:self change:nil context:nil];
}
佐证NSSetIntValueAndNotify的原理
#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)setAge:(int)age {
    _age = age;
}
- (void)willChangeValueForKey:(NSString *)key {
    [super willChangeValueForKey:key];
 
    NSLog(@"willChangeValueForKey");
}
- (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key {
    NSLog(@"didChangeValueForKey - begin");
   
    [super didChangeValueForKey:key];
   
    NSLog(@"didChangeValueForKey - end");
}
@end
- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    [self.person1 setAge:21];
}
//log日志:
2019-07-17 09:41:45.186419+0800 Student[1513:33394] willChangeValueForKey
2019-07-17 09:41:45.186572+0800 Student[1513:33394] didChangeValueForKey - begin
2019-07-17 09:41:45.186850+0800 Student[1513:33394] 监听到<Person: 0x600003013860>的age属性值改变了 - {
    kind = 1;
    new = 21;
    old = 1;
} - kvo监听
2019-07-17 09:41:45.186967+0800 Student[1513:33394] didChangeValueForKey - end
2019-07-17 09:41:45.187052+0800 Student[1513:33394] person1 age = 21,person2 age = 22

补充的问题

_NSSet*ValueAndNotify的存在.png

_NSSet*ValueAndNotify的内部实现:

[self willChangeValueForkey:@"age"];
 //原来set的实现
[self didChangeValueForkey:@"age"];

1.调用willChangeValueForkey.
2.调用原来的setter的实现.
3.调用didChangeValueForkey,didChangeValueForKey:内部会调用observer的observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法.
面试问题
1.iOS用什么方式实现对一个对象的KVO？(KVO的本质是什么？)
利用RuntimeAPI动态生成一个子类，并且让instance对象的isa指向这个全新的子类；
当修改instance对象的属性时，会调用Foundation的_NSSetXXXValueAndNotify函数
①willChangeValueForKey:
②父类原来的setter
③didChangeValueForKey:
didChangeValueForKey内部会触发监听器（Oberser）的监听方法( observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:）
2.如何手动触发KVO？
对监听的对象手动调用下面两行代码即可。

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

- (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);
}

3.KVO与代理的效率问题？
KVO的效率比代理的效率低，因为KVO需要动态地生成一个类NSKVONotifying_className，耗时。
4.使用KVC给对象属性赋值，能不能触发KVO？
可以触发KVO。因为KVC本质上会调用属性的setXxx:方法。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    NSLog(@"调用带下划线的成员变量");
    self.person1.age = 10;
}

5.直接修改成员变量会触发KVO嘛？
不会触发KVO，因为修改成员变量不会触发set方法。

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    NSLog(@"调用带下划线的成员变量");
    self.person1->_age = 10;
}

2. KVC

kvc的全称是Key-Value Coding,俗称"键值对编码",可以通过key来访问某个属性.

常见的API有:

  • - (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;
  • -(void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;
  • -(id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;
  • - (id)valueForKey:(NSString *)key;

key和keyPath的区别:
key：只能接受当前类所具有的属性，不管是自己的，还是从父类继承过来的，如view.setValue(CGRectZero(),key: "frame")；
keypath: 除了能接受当前类的属性，还能接受当前类属性的属性，即可以接受关系链，如view.setValue(5,keypath: "layer.cornerRadius");

一. KVC的赋值和取值过程和原理

1. KVC的赋值过程

KVC在赋值的时候，按照setKey:、_setKey:的顺序查找对象是否有对应的方法实现，如果有的话就传递参数并调用方法，如过这两个方法都没有实现，则调用对象的+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法，查看是否允许直接访问成员变量。下面我们证明一下:
A:证明先调用- (void)setAge:(NSUInteger)age方法,新建一个Person类，不添加任何属性，实现- (void)setAge:(NSUInteger)age、- (void)_setAge:(NSUInteger)age方法。初始化一个Person实例并对其进行KVC赋值，看系统调用结果。

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
@property(nonatomic, assign) NSInteger age;
@end

#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)setAge:(NSUInteger)age{
    NSLog(@"setAge : %lu",(unsigned long)age);
}
- (void)_setAge:(NSUInteger)age{
    NSLog(@"_setAge : %lu",(unsigned long)age);
}
@end

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        [person setValue:@20 forKey:@"age"];
    }
    return 0;
}
//log日志
2019-07-16 16:47:55.228096+0800 Student[1841:143855] setAge : 20

B：将Person类中的- (void)setAge:(NSUInteger)age注释掉，保留- (void)_setAge:(NSUInteger)age,看系统调用结果。

#import "Person.h"
@implementation Person
//- (void)setAge:(NSUInteger)age{
//    NSLog(@"setAge : %lu",(unsigned long)age);
//}
- (void)_setAge:(NSUInteger)age{
    NSLog(@"_setAge : %lu",(unsigned long)age);
}
@end
//log日志
//2018-08-02 23:15:08.754741+0800 Student[1841:544138] _setAge : 20

由以上结果可见，我们调用方法
- (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;或
- (void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;时，OC底层依次查找了setKey:或_setKey:方法。

2. 如果没有setKey:或_setKey:方法怎么办？

没有实现setKey:或_setKey:方法，系统将查看+(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法的返回结果(该方法默认返回YES),这个方法决定是否可以直接访问成员变量key。
注意：如果+(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法返回了NO，那么就会调用setValue:forUndefinedKey:并抛出异常NSUnknownKeyException!

注意，这里面为什么提到对象的成员变量，而不是属性呢？
如果是属性的话，系统自动帮我们实现了set方法，所以KVC总是可以找到它需要的`setKey:`方法。如果是
成员变量，系统就不会为你实现set方法了.

KVC在访问成员变量时也严格按照_key、_isKey、key、isKey的顺序查找。下面我们将上面代码中- (void)setAge:(NSUInteger)age、- (void)_setAge:(NSUInteger)age注释掉，并添加四个成员变量_age、_isAge、age、isAge。

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
    int _isAge;
    int age;
    int isAge;
}
@end

#import "Person.h"
@implementation Person
+(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly{
    return YES;
}
@end

通过设置断点观察对象成员变量值得变化，证明了 ‘严格按照_key、_isKey、key、isKey的顺序查找’的结论.
setValue forkey的原理:

kvc的赋值的过程.png

+(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly的方法是用来确认是否可以访问成员变量, +(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly默认是Yes.
kvc的内部调用了①willChangeValueForkey②didChangeValueForkey两个方法,从而触发了kvo,所以不用实现set方法也可以调起kvo.

3. KVC的取值过程

- (id)valueForKey:(NSString *)key;或 - (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;方法取值的时候，按照getKey、key、isKey、_key的顺序查找对应方法，一旦找到就调用方法获取值。如果没有找到以上四个方法，同样会调用+(BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法，看是否具备直接访问成员变量的权限。与KVC的赋值过程相同，在查找成员变量的时候，也是严格按照 _key、_isKey、key、isKey的顺序查找的。找到了就直接取值，都没有找到的话，后果也是相同的，即调用setValue:forUndefinedKey:并抛出异常NSUnknownKeyException*!

#import "Person.h"
@interface Person ()
@end

@implementation Person
+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly{
    return  YES;
}
- (int)getAge{
    NSLog(@"getAge");
    return 5;
}
- (int)age{
    NSLog(@"age");
    return 10;
}
- (int)isAge{
    NSLog(@"isAge");
    return 15;
}
- (int)_age{
    NSLog(@"_age");
    return 20;
}
@end

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
          [person valueForKey:@"age"];
    }
    return 0;
}

依次对getKey、key、isKey、_key方法进行注释，通过log日志可见KVC的取值时候调用的方法顺序依次为：getKey、key、isKey、_key。
Value forkey的原理:

kvc的取值过程.png

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