iOS底层原理总结 - 探寻KVO本质

本篇主要是对小码哥底层视频学习的总结。方便日后复习。
上一篇《iOS底层原理总结 - 探寻Class的本质》：
https://www.jianshu.com/p/748bc1d63184

本篇学习总结:

  • 探寻KVO本质
  • KVO底层方法调用顺序
  • 代码求证KVO实现机制
  • 探寻KVC本质
  • KVC赋值和查找顺序

好了，带着问题，我们一一开始阅读吧 😊

一.探寻KVO本质

1.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？）

看到这个面试题，我们就从头开始说一下什么是KVO,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。
先来一段代码：

- (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。

我们尝试探寻KVO底层实现原理，我们通过断点方式探寻。
KVO底层原理分析

p1和p2的age属性值发生改变，自然会调用-setAge方法，我们把断点打在-setAge方法这里，断点确实走到了这里，我们发现p1对象和p2对象调用同样的setter方法，但是我们发现p1除了调用setter方法之外还会另外执行observer的observeValueForKeyPath方法，说明KVO在运行时获取对p1对象做了一些改变，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底层原理实现
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

通过上面俩图我们会发现，p1对象执行addObserver操作之后，p1实例对象的isa指针指向NSKVONotifyin_Person类对象，而p2实例对象的isa指针还是指向MJPerson类对象。
那么我们先来观察p2对象在内存中时如何存储的，然后对比p2观察p1

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    self.person1.age = 10;
    self.person2.age = 20;
    
}

首先我们知道，p2实例对象在调用-setAge方法的时候，会通过p2实例对象中的isa指针找到MJPerson类对象，然后去类对象的方法列表中查找-setAge方法，进而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对象添加监听者之后，isa指针指向了NSKVONotifyin_Person类对象，NSKVONotifyin_Person类对象其实是MJPerson的类对象的子类，NSKVONotifyin_Person类对象的supercalss指针指向MJPerson的类对象。NSKVONotifyin_Person类对象是运行时通过runtime生成的，那么p1实例对象调用setage方法，肯定是通过p1实例对象中的isa指针找到NSKVONotifyin_Person类对象，在NSKVONotifyin_Person类对象找到setage方法及实现。

小码哥将NSKVONotifyin_Person类对象中的setage方法实现逻辑告诉我们了：

在调用NSKVONotifyin_Person类对象中的setage方法，其实是调用了Foundation框架中C语言函数_NSsetIntValueAndNotify，_NSsetIntValueAndNotify方法内部的逻辑，首先是调用willChangeValueForKey告诉将要改变某一个属性的值，然后调用父类的setage方法对成员变量赋值，最后调用didChangeValueForKey告诉已经改变了某一个属性的值，didChangeValueForKey中调用监听器的监听方法，最终来到监听者的observeValueForKeyPath方法中。

到此，整个KVO调用底层流程就搞清楚了,我们需要用代码求证一下步骤

二.代码求证KVO实现流程

1.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，前面已经有图印证了这点。
2.为了验证p1添加observer前后调用-setAge方法后实现有什么区别，我们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。

监听之前的IMP地址.png

监听之后的IMP地址.png

我们只是看实现的内存地址，好像并不能看出什么，前面不是说p1对象添加observer后，调用-setAge方法的时候，其实调用_NSsetIntValueAndNotify方法了吗，方法名怎么看呢？我们在终端打印一下方法实现，如下图：
终端打印方法实现.png

这一步也印证了咱们前面总结的
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
image.png

补充一点Founddation框架知识：
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

用一张图来总结一下吧：


NSKVONotifying_MJPerson伪代码.png
三.NSKVONotifyin_Person内部结构是怎样的？

首先我们知道，NSKVONotifyin_Person作为MJPerson 类对象的子类，其superclass指针指向MJPerson类对象，并且NSKVONotifyin_Person内部一定对-setAge方法做了单独的实现，那么NSKVONotifyin_Person同MJPerson* 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MJPerson* 类对象和NSKVONotifyin_Person类对象内存储的对象方法。
先上代码：

//MJPerson类
@interface MJPerson : NSObject
@property (assign, nonatomic) int age;
@end


//ViewController.m
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    Person *p1 = [[Person alloc] init];
    p1.age = 1.0;
    Person *p2 = [[Person alloc] init];
    p1.age = 2.0;
    // self 监听 p1的 age属性
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [p1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];

    [self printMethods: object_getClass(p2)];
    [self printMethods: object_getClass(p1)];

    [p1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

- (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);
}

打印结果如下图：


runtime 打印结果.png

上述两个类对象方法列表不一样，我们直接看下图：


NSKVONotifyin_Person内存结构以及方法调用顺序.png

这里有两点要说明，一是-setAge方法内部调用Foundation框架中的_NSSetIntValueAndNotify方法，这点前面已经讲完了，二是重写class方法，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NSObject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));
}

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");
}
调用顺序.png
四.探寻KVC本质

先说一下KVC：Key Value Coding（键值编码），获取或者给对象的某个属性进行赋值，常用方法如下：

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

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

五.KVC赋值和查找顺序
KVC赋值顺序.png
KVC取值顺序.png

总结一下本篇面试题：

  • 1.iOS 用什么方式实现对一个对象的KVO？（KVO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setter方法实现，setter方法实现内部会调用Foundation框架的_NSSetIntValueAndNotify方法，在_NSSetIntValueAndNotify 方法里面调用willChangeValueForKey方法，然后调用父类的setter方法对成员变量赋值，最后调用didChangeValueForKey方法，最终通知监听者调用observeValueForKeyPath 方法，
这里我们要特别说明一点：单纯给成员变量赋值，没有调用willChangeValueForKey和didChangeValueForKey方法，最终也不会调用observeValueForKeyPath方法

  • 2.面试题：手动能否触发实现一个KVO？

答案是可以的，只要知道了KVO底层调用顺序，就可以写出来，以代码为例说明:

- (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:nil];
    [self.person1 willChangeValueForKey:@"age"];
    self.person1.age = 10000;
    [self.person1 didChangeValueForKey:@"age"];
    
}

//- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
//{
//    self.person1.age = 10;
//}

- (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：
监听到<MJPerson: 0x280a4c890>的age属性值改变了 - {
    kind = 1;
    new = 10000;
    old = 1;
} - (null)
  • 3.面试题：KVC改变属性值回引起KVO变化吗？

答：可以的，直接来看代码及打印吧

- (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:nil];
//    [self.person1 willChangeValueForKey:@"age"];
//    [self.person1 setValue:@(101) forKey:@"age"];
//    [self.person1 didChangeValueForKey:@"age"];
    
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    [self.person1 setValue:@(102) forKey:@"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);
}

本篇学习先记录到此，感谢阅读，如有错误，不吝赐教。

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