iOS底层原理总结 - KVO本质

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

@interface HDPerson : NSObject
@property (nonatomic,assign) int age;
@end

@implementation HDPerson
-(void)setAge:(int)age{
    _age = age;
    NSLog(@"调用者:%p",self);
}
@end

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    HDPerson *person1 = [[HDPerson alloc]init];
    person1.age = 1;
    
    HDPerson *person2 = [[HDPerson alloc]init];
    person2.age = 2;
    
    // 添加监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
    
    // 改变值
    person1.age = 11;
    
    // 移除监听
    [person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
    
}

-(void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
    NSLog(@"监听到%@的%@改变了%@", object, keyPath,change);
}

打印的内容
OCKVO[64601:3095153] 调用者:0x281f4cb40
OCKVO[64601:3095153] 调用者:0x281f4cb20
OCKVO[64601:3095153] 调用者:0x281f4cb40
OCKVO[64601:3095153] 监听到<HDPerson: 0x281f4cb40>的age改变了{
    kind = 1;
    new = 11;
    old = 1;
}

上述代码中可以看出，在添加监听之后，age属性的值在发生改变时，就会通知到监听者，执行监听者的observeValueForKeyPath方法。
我们在HDPerson类中重写了set方法，person1对象和person2对象调用同样的set方法，但是我们发现person1除了调用set方法之外还会另外执行监听器的observeValueForKeyPath方法。
我们猜测:KVO在运行时获取对person1对象做了一些改变。相当于在程序运行过程中，对person1对象做了一些变化，使得person1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。

KVO底层实现分析

//通过打断点我们分析 person1对象 在 添加监听前和监听后的isa变化
//添加监听前
(lldb) po person1 -> isa
HDPerson

(lldb) po person2 -> isa
HDPerson

// 添加监听后
(lldb) po person1 -> isa
NSKVONotifying_HDPerson

(lldb) po person2 -> isa
HDPerson

通过上图我们发现，person1对象执行过addObserver操作之后，person1对象的isa指针由之前的指向类对象HDPerson变为指向NSKVONotifying_HDPerson类对象，而person2对象isa没有任何改变。也就是说一旦person1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。

添加KVO监听之前


屏幕快照 2018-12-25 上午11.04.59.png

添加KVO监听之后


屏幕快照 2018-12-25 上午11.07.39.png

通过上图我们发现person1对象的isa指针在经过KVO监听之后已经指向了NSKVONotifying_HDPerson类对象，NSKVONotifying_HDPerson其实是HDPerson的子类，那么也就是说其superclass指针是指向HDPerson类对象的，NSKVONotifying_HDPerson是runtime在运行时生成的。那么person1对象在调用setage方法的时候，肯定会根据person1的isa找到NSKVONotifying_HDPerson，在NSKVONotifying_HDPerson中找setage的方法及实现。

经过查阅资料我们可以了解到。
NSKVONotifying_HDPerson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。

KVO底层实现原理(结论)

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
willChangeValueForKey:
父类原来的setter
didChangeValueForKey:
内部会触发监听器（Oberser）的监听方法( observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:）

结论验证

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HDPerson的子类NSKVONotifying_HDPerson。
另外我们可以通过打印方法实现的地址来看一下person1和person2的setage的方法实现的地址在添加KVO前后有什么变化。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    HDPerson *person1 = [[HDPerson alloc]init];
    person1.age = 1;
    
    HDPerson *person2 = [[HDPerson alloc]init];
    person2.age = 2;
    
    // 通过methodForSelector找到方法实现的地址
    NSLog(@"添加KVO监听之前 - person1 = %p, person2 = %p", [person1 methodForSelector: @selector(setAge:)],[person2 methodForSelector: @selector(setAge:)]);
    
    // 添加监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
    
    
    NSLog(@"添加KVO监听之后 - person1 = %p, person2 = %p", [person1 methodForSelector: @selector(setAge:)],[person2 methodForSelector: @selector(setAge:)]);
    
    // 改变值
    person1.age = 11;
    
    // 移除监听
    [person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
    
}

// 打印的值
OCKVO[64762:3102111] 添加KVO监听之前 - person1 = 0x102d7a2c4, person2 = 0x102d7a2c4
OCKVO[64762:3102111] 添加KVO监听之后 - person1 = 0x1b33b2aa0, person2 = 0x102d7a2c4
(lldb) p (IMP)0x102d7a2c4
(IMP) $0 = 0x0000000102d7a2c4 (OCKVO`-[HDPerson setAge:] at HDPerson.h:15)
(lldb) p (IMP)0x1b33b2aa0
(IMP) $1 = 0x00000001b33b2aa0 (Foundation`_NSSetIntValueAndNotify)

我们发现在添加KVO监听之前，person1和person2的setAge方法实现的地址相同，而经过KVO监听之后，person1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，person1的setAge方法的实现由HDPerson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

NSKVONotifyin_Person内部结构是怎样的？

首先我们知道，NSKVONotifying_HDPerson作为HDPerson的子类，其superclass指针指向Person类，并且NSKVONotifying_HDPerson内部一定对setAge方法做了单独的实现，那么NSKVONotifying_HDPerson同HDPerson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HDPerson类对象和NSKVONotifying_HDPerson类对象内存储的对象方法

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    HDPerson *person1 = [[HDPerson alloc]init];
    person1.age = 1;
    
    HDPerson *person2 = [[HDPerson alloc]init];
    person2.age = 2;
    
    // 添加监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];

    
    [self printMethods: object_getClass(person1)];
    [self printMethods: object_getClass(person2)];
    
    // 改变值
    person1.age = 11;
    
    // 移除监听
    [person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
    
}

-(void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
    NSLog(@"监听到%@的%@改变了%@", object, keyPath,change);
}


- (void) printMethods:(Class)cls{
    unsigned int count ;
    Method *methods = class_copyMethodList(cls, &count);
    NSMutableString *methodNames = [NSMutableString string];
    [methodNames appendFormat:@"%@ - ", cls];
    
    for (int i = 0 ; i < count; i++) {
        Method method = methods[i];
        NSString *methodName  = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        
        [methodNames appendString: methodName];
        [methodNames appendString:@" "];
        
    }
    NSLog(@"%@",methodNames);
    free(methods);
}
//打印的值
OCKVO[64822:3105104] NSKVONotifying_HDPerson - setAge: class dealloc _isKVOA
OCKVO[64822:3105104] HDPerson - setAge: age

通过上述代码我们发现NSKVONotifying_HDPerson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NSKVONotifying_HDPerson的内存结构以及方法调用顺序。


屏幕快照 2018-12-25 上午11.07.39.png

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

我们在HDPerson类中重写willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:方法，模拟他们的实现。

#import "HDPerson.h"

@implementation HDPerson

- (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");
}


@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。

OCKVO[64873:3107277] setAge:
OCKVO[64873:3107277] setAge:
OCKVO[64873:3107277] willChangeValueForKey: - begin
OCKVO[64873:3107277] willChangeValueForKey: - end
OCKVO[64873:3107277] setAge:
OCKVO[64873:3107277] didChangeValueForKey: - begin
OCKVO[64873:3107277] 监听到<HDPerson: 0x28345cd90>的age改变了{
    kind = 1;
    new = 11;
    old = 1;
}
OCKVO[64873:3107277] didChangeValueForKey: - end

如何手动触发KVO

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。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    HDPerson *person1 = [[HDPerson alloc]init];
    person1.age = 1;
    
    // 添加监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];

    [person1 willChangeValueForKey:@"age"];
    [person1 didChangeValueForKey:@"age"];
    
    // 移除监听
    [person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
    
}
// 打印的内容
OCKVO[65244:3136058] setAge:
OCKVO[65244:3136058] willChangeValueForKey: - begin
OCKVO[65244:3136058] willChangeValueForKey: - end
OCKVO[65244:3136058] didChangeValueForKey: - begin
OCKVO[65244:3136058] 监听到<HDPerson: 0x283b5cb90>的age改变了{
    kind = 1;
    new = 1;
    old = 1;
}
OCKVO[65244:3136058] didChangeValueForKey: - end

_NSSet*ValueAndNotify的内部实现

基于以上分析，我们可以猜测_NSSet*ValueAndNotify的内部实现


// 调用willChangeValueForKey:
[self willChangeValueForKey:@""];

调用原来的setter实现

// 调用didChangeValueForKey:
// didChangeValueForKey:内部会调用observer的observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法
[self didChangeValueForKey:@""];
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