iOS底层原理总结篇-- 深入理解 KVC\KVO 实现机制

iOS底层原理总结--OC对象的本质(一) - 掘金

iOS底层原理总结--OC对象的本质(二) - 掘金

iOS底层原理总结--OC对象的分类：instance、class、meta-calss对象的isa和superclass - 掘金

iOS底层原理总结-- KVO/KVC的本质 - 掘金

iOS底层原理总结 -- 利用Runtime源码 分析Category的底层实现

...

一. KVO的实现原理

面试题：

KVO相关：
1. iOS用什么方式来实现对一个对象的KVO？（KVO的本质是什么？）
2. 如何手动出发KVO？
3. 直接修改成员变量会触发KVO么？

KVC相关： 
1. 通过KVC修改属性会触发KVO么？
2. KVC的赋值和取值过程是怎样的？原理是什么？

1. 什么是KVO？

KVO的全称是Key-Value Observing，俗称"键值监听"，可以用于监听摸个对象属性值得改变。

要监听Person中的age属性，我们就创建一个observer用来监听age的变化，当我们age一旦发生改变，就会通知observer。

2. KVO简单的实现

我们先简单的回顾一下 KVO的代码实现。

///> DLPerson.h 文件

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface DLPerson : NSObject

@property (nonatomic, assign) int age;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

///> ViewController.m 文件

#import "ViewController.h"
#import "DLPerson.h"
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, strong) DLPerson *person1;
@property (nonatomic, strong) DLPerson *person2;
@end

@implementation ViewController

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

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    self.person1.age = 20;
    self.person2.age = 30;
}

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

- (void)dealloc{
    ///> 使用结束后记得移除
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

@end

@end

输出结果：
监听到了<DLPerson: 0x6000033d4e40>的age属性发生了改变- {
kind = 1;
new = 20;
old = 1;
}

///>  因为我们只监听了person1  所以只会输出person1的改变。

3. KVO存在的疑问

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    // self.person1.age = 20;
    [self.person1 setAge:20]; ///> 等同于self.person1.age = 20;
    
    self.person2.age = 30;
    [self.person2 setAge:20];///> 等同于self.person2.age = 20;
}

因为当我们在DLPerson中使用@property声名一个属性的时候会自动生成声名属性的set和get方法。如下代码：

///> DLPerson.m文件

#import "DLPerson.h"

@implementation DLPerson

- (void)setAge:(int)age{
    _age = age;
}

- (int)age{
    return _age;
}

@end

既然person1和person2的本质都是在调用set方法，就一定都会走在DLPerson类中的setAge这个方法。

那么问题来了，同样走的是DLPerson类中的setAge方法，为什么person1就会走到

- (void)observeValueForKeyPath:(nullable NSString *)keyPath ofObject:(nullable id)object change:(nullable NSDictionary<NSKeyValueChangeKey, id> *)change context:(nullable void *)context;

方法中而person2就不会呢？

4. KVO的本质分析

如果不是很了解OC对象的isa指针相关知识的同学，建议先请前往窥探iOS底层实现--OC对象的分类：instance、class、meta-calss对象的isa和superclass - 掘金 文章了解一下先。

接下来我们探究一下两个对象的本质，首先我们person1和person2的isa打印出来查看一下他们的实例对象isa指向的类对象是什么？

我们会发现person1的isa指针打印出的是: NSKVONotifying_DLPerson

而person2的isa指针打印出来的是: DLPerson

person1和person2都是实例对象 所以person1和person2的isa指针指向的都是类对象，

所以说，如果对象没有添加KVO监听那么它的isa指向的就是自己原来的类对象，如下图

    person2.isa == DLPerson

当一个对象添加了KVO的监听时，当前对象的isa指针指向的就不是你原来的类，指向的是另外一个类对象，如下图

    person1.isa == NSKVONotifying_DLPerson

• NSKVONotifying_DLPerson类是 Runtime动态创建的一个类，在程序运行的过程中产生的一个新的类。

• NSKVONotifying_DLPerson类是DLPerson的一个子类。

• NSKVONotifying_DLPerson类存在自己的 setAge:、class、dealloc、isKVOA...方法。

  当我们DLperson的实例对象调用setAge方法时，

  实例对象的isa指针找到类对象，然后在类类对象中寻找相应的对象方法，如果有则调用，

  如果没有则去superclass指向的父类对象中寻找相应的对象方法，如果有则调用，

  如果未找到相应的对象方法则会报：unrecognized selector sent to instance 错误

• 由于上图可分析出我们的person1的isa指针指向的类对象是NSKVONotifying_DLPerson，并且NSKVONotifying_DLPerson中还带有setAge: 方法，所以：

  ///> person1的setAge方法走的是NSKVONotifying_DLPerson类中的setAge方法，
  ///> 并且在KVO监听中实现了[superclass setAge:age];，
  [self.person1 setAge:20]; 
  
  ///> person2的setAge方法走的是DLPerson中的setAge:方法，
  [self.person2 setAge:30]; 
  

  上次代码所示，两个实例对象person1和person2都走了DLPerson的setAge:方法，只是添加了KVO的person1在自己的setAge方法中添加了 其他操作。

• 其他操作猜想 伪代码！：

  ///> NSKVONotifying_DLPerson.m 文件
  
  #import "NSKVONotifying_DLPerson.h"
  
  @implementation NSKVONotifying_DLPerson
  
  - (void)setAge:(int)age{
    _NSSetIntValueAndNotify();  ///> 文章末尾 知识点补充小结有此方法来源
  }
  
  void _NSSetIntValueAndNotify(){
    [self willChangeValueForKey:@"age"];
    [super setAge:age];
    [self didChangeValueForKey:@"age"];
  }
  
  - (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key{
    ///> 通知监听器 key发生了改变
    [observe observeValueForKeyPath:key ofObject:self change:nil context:nil];
  }
  
  @end
  

  _NSSetIntValueAndNotify(); ///> 文章末尾 知识点补充小结有此方法来源

5. KVO的调用顺序

由于我们的NSKVONotifying_DLPerson类不能参与编译所以可以在 DLPerson.m中重写它父类的方法代码如下：

///> ViewController.m文件

#import "ViewController.h"
#import "DLPerson.h"
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, strong) DLPerson *person1;
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[DLPerson alloc]init];
    self.person1.age = 10;
    
    ///> person1添加kvo监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    [self.person1 setAge:20];
}

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

- (void)dealloc{
    ///> 使用结束后记得移除
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

@end

///> DLPerson.m文件

#import "DLPerson.h"

@implementation DLPerson

- (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

输出结果：

willChangeValueForKey
didChangeValueForKey - begin
监听到了<DLPerson: 0x60000041afe0>的age属性发生了改变{
    kind = 1;
    new = 20;
    old = 10;
}
didChangeValueForKey - end

• 调用willChangeValueForKey:
• 调用原来的setter实现
• 调用didChangeValueForKey:

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

二. KVC的实现原理

1. 什么是KVC？

KVC的全称key - value - coding，俗称"键值编码",可以通过key来访问某个属性

常见的API有：

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

- (id)valueForKey:(NSString *)key; 
- (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;

简单的代码实现: DLPerson 和 DLCat

///> DLPersin.h 文件

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

/**
 DLCat
 */
@interface DLCat : NSObject
@property (nonatomic, assign) int weight;
@end


/**
 DLPerson
 */
@interface DLPerson : NSObject
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, strong) DLCat *cat;
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

1.1 - (void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;

///> ViewController.m 文件

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    DLPerson *person = [[DLPerson alloc]init];
    [person setValue:@20 forKey:@"age"];
    NSLog(@"%d",person.age);
}

1.1 - (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;

///> ViewController.m 文件

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    DLPerson *person = [[DLPerson alloc]init];
    person.cat = [[DLCat alloc]init];
    [person setValue:@20 forKeyPath:@"cat.weight"];
    NSLog(@"%d",person.age);
    NSLog(@"%d",person.cat.weight);
}

setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath 和 setValue:(id)value forKey:(NSString *)key 的区别：

• keyPath 相当于根据路径去寻找属性，一层一层往下找，
• key 是直接哪去属性的名字设置，如果按路径找会报错

1.3 - (id)valueForKey:(NSString *)key;

///> ViewController.m 文件

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    DLPerson *person = [[DLPerson alloc]init];
    person.age = 10;
    NSLog(@"%@",[person valueForKey:@"age"]);
}

1.4 - (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;

///> ViewController.m 文件

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    DLPerson *person = [[DLPerson alloc]init];
    person.age = 10;
    NSLog(@"%@",[person valueForKey:@"cat.weight"]);
}

(id)valueForKey:(NSString *)key; 和 (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath 的区别：

• 同理1.2-1.3

2. setValue:forKey:的原理

• 当我们设置setValue:forKey:时
• 首先会查找setKey:、_setKey: (按顺序查找)
• 如果有直接调用
• 如果没有，先查看accessInstanceVariablesDirectly方法

  + (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly{
        return YES;   ///> 可以直接访问成员变量
    //    return NO;  ///>  不可以直接访问成员变量,  
    ///> 直接访问会报NSUnkonwKeyException错误  
    }
  

• 如果可以访问会按照 _key、_isKey、key、iskey的顺序查找成员变量
• 找到直接复制
• 未找到报错NSUnkonwKeyException错误

_key、_isKey、key、iskey复制顺序

///> DLPerson.h 文件

@interface DLPerson : NSObject{
    @public
    int _age;
    int _isAge;
    int age;
    int isAge;
}

@end

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[DLPerson alloc]init];
    ///> person1添加kvo监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
    
    ///> 通过KVC修改person.age的值
    [self.person1 setValue:@20 forKey:@"age"];
    
     NSLog(@"------");
}

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

- (void)dealloc{
    ///> 使用结束后记得移除
    [self.person1 removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

• 在NSLog(@"------");位置打下短点注释方式去查看各个值得复制顺序
• 然后在控制台中查看复制查找的顺序就OK了，
• DLPerson文件中的顺序即使是调换了也无所谓。

3. valueForKey:的原理

• kvc取值按照 getKey、key、iskey、_key 顺序查找方法
• 存在直接调用
• 没找到同样，先查看accessInstanceVariablesDirectly方法

  + (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly{
        return YES;   ///> 可以直接访问成员变量
    //    return NO;  ///>  不可以直接访问成员变量,  
    ///> 直接访问会报NSUnkonwKeyException错误  
    }
  

• 如果可以访问会按照 _key、_isKey、key、iskey的顺序查找成员变量
• 找到直接复制
• 未找到报错NSUnkonwKeyException错误

三. 知识点补充

1. _NSSetIntValueAndNotify();方法来源

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[DLPerson alloc]init];
    self.person1.age = 10;
    
    self.person2 = [[DLPerson alloc]init];
    self.person2.age = 20;
    
    ///> person1添加kvo监听
    NSLog(@"person添加KVO之前 - person1：%@， person2：%@",object_getClass(self.person1), object_getClass(self.person2));
    
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
    
    NSLog(@"person添加KVO之前 - person1：%@， person2：%@",object_getClass(self.person1), object_getClass(self.person2));
}

输出结果：

person添加KVO之前 - person1：DLPerson， person2：DLPerson

person添加KVO之后 - person1：NSKVONotifying_DLPerson， person2：DLPerson

由此可见在没有 为person1添加KVO之前 person1.isa指针仍然是DLPerson

那么我们就可以使用- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;去查看实现方法的地址，的具体方法代码如下：

///> person1添加kvo监听
    NSLog(@"person添加KVO之前 - person1：%p， person2：%p \n",[self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)], [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
    
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];
    
    NSLog(@"person添加KVO之后 - person1：%p， person2：%p \n",[self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)], [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
}

输出结果：

person添加KVO之前 - person1：0x10852a560， person2：0x10852a560 
person添加KVO之后 - person1：0x108883fc2， person2：0x10852a560 

由此可见，在添加之前person1和person2实现的setAge方法是一个，添加之后person1的setAge方法就有了变化。

然后我们打入短点去查看实现的方法：

在控制台中使用 p (IMP)方法地址 来打印得到方法的名称。 所以我们在添加KVO之后的 setAge: 方法调用了 _NSSetIntValueAndNotify() 。

如果定义的属性是类型是double则调用的是_NSSetDoubleValueAndNotify()
大家可以自己测试一下。
此方法在Foundtion框架中有对应的
NSSetDoubleValueAndNotify()
NSSetIntValueAndNotify()
NSSetCharValueAndNotify()
...

目前还未深入接触到逆向工程。等以后学到了在给大家详解解释吧。

2. NSKVONotifying_DLPerson的isa指针指向哪里？

在 KVO的本质分析 中我们得知，添加了KVO监听的实例对象isa指针指向了NSKVONotifying_DLPerson类， 那么NSKVONotifying_DLPerson的isa指针的指向？

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.person1 = [[DLPerson alloc]init];
    self.person1.age = 10;

    self.person2 = [[DLPerson alloc]init];
    self.person2.age = 20;

    ///> person1添加kvo监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:nil];

    NSLog(@"类对象 - person1: %@<%p>   person2: %@<%p>",
          object_getClass(self.person1),  ///> self.person1.isa  类名
          object_getClass(self.person1),  ///> self.person1.isa
          object_getClass(self.person2),  ///> self.person1.isa  类名
          object_getClass(self.person2)  ///> self.person1.isa
          );
    
    NSLog(@"元类对象 - person1: %@<%p>   person2: %@<%p>",
          object_getClass(object_getClass(self.person1)),  ///> self.person1.isa.isa 类名
          object_getClass(object_getClass(self.person1)),  ///> self.person1.isa.isa
          object_getClass(object_getClass(self.person2)),  ///> self.person2.isa.isa 类名
          object_getClass(object_getClass(self.person2))  ///> self.person2.isa.isa
          );
}

输出结果：

类对象 - person1: NSKVONotifying_DLPerson<0x6000002cef40>   person2: DLPerson<0x1002c9048>

元类对象 - person1: NSKVONotifying_DLPerson<0x6000002cf210>   person2: DLPerson<0x1002c9020>

结果发现：每一个类对象的地址是不一样的，而且元类对象的地址也不一样的，所以我们可以认为 NSKVONotifying_DLPerson类有自己的元类对象， NSKVONotifying_DLPerson.isa指向着自己的元类对象。

四. 面试题答案

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
    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:）
   

2. 如何手动触发KVO？

    手动调用willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:
   

3. 直接修改成员变量会触发KVO么？

    不会触发KVO，因为直接修改成员变量并没有走set方法。
   

KVC相关：

1. 通过KVC修改属性会触发KVO么？

    会触发KVO，如上流程图
   

2. KVC的赋值和取值过程是怎样的？原理是什么？

    如上流程图
   

---

• 文章总结自MJ老师底层视频。