前言

之前,我们在探索动画及渲染相关原理的时候,我们输出了几篇文章,解答了iOS动画是如何渲染,特效是如何工作的疑惑。我们深感系统设计者在创作这些系统框架的时候,是如此脑洞大开,也 深深意识到了解一门技术的底层原理对于从事该方面工作的重要性。

因此我们决定 进一步探究iOS底层原理的任务 ,本文探索的底层原理围绕“KVO的底层实现展开

一、KVO简介

1. KVO

KVO的全称是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

2. KVO的使用

• 发起监听
  • 可以通过addObserver: forKeyPath:方法对属性发起监听
• 接收监听信息
  • 然后通过observeValueForKeyPath: ofObject: change:方法中对应进行监听，见下面示例代码:

// 示例代码
@interface Person : NSObject

@property (assign, nonatomic) int age;
@property (assign, nonatomic) int height;
@end

@implementation Person

@end

@interface ViewController ()

@property (strong, nonatomic) Person *person1;
@property (strong, nonatomic) Person *person2;
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    self.person1 = [[Person alloc] init];
    self.person1.age = 1;
    
    self.person2 = [[Person alloc] init];
    self.person2.age = 2;
    
    // 打印添加监听之前person1和person2对应的isa指针指向的类型
    NSLog(@"person1添加KVO监听之前 - %@ %@",
          object_getClass(self.person1),
          object_getClass(self.person2)); 
    // 打印结果：Person Person
    
    // 打印添加监听之前person1和person2对应的setAge方法是否有改变
    NSLog(@"person1添加KVO监听之前 - %p %p",
          [self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)],
          [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
    // 0x10b60c4b0 0x10b60c4b0
          
    // 给person1对象添加KVO监听
    NSKeyValueObservingOptions options = NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld;
    [self.person1 addObserver:self forKeyPath:@"age" options:options context:@"123"];
    
    // 打印添加监听之后person1和person2对应的isa指针指向的类型
    NSLog(@"person1添加KVO监听之后 - %@ %@",
          object_getClass(self.person1),
          object_getClass(self.person2)); 
	// 打印结果：NSKVONotifying_Person Person
	
	 // 打印添加监听之后person1和person2对应的setAge方法是否有改变
    NSLog(@"person1添加KVO监听之前 - %p %p",
          [self.person1 methodForSelector:@selector(setAge:)],
          [self.person2 methodForSelector:@selector(setAge:)]);
    // 0x7fff207b62b7 0x10b60c4b0
}

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

@end 

注意：  监听的对象销毁之前要移除该监听removeObserver: forKeyPath:

二、KVO的实现本质

1.通过上面示例代码发现，函数在调用addObserver: forKeyPath:方法之后，person1的实例对象的isa指针指向了一个新的类型NSKVONotifying_Person，而没有添加监听的person2的isa指针还是指向了Person这个类型

2.我们发现通过object_getClass打印person1的类对象和元类对象都是新派生出来的NSKVONotifying_Person这个类型

NSLog(@"类对象 - %@ %@",
          object_getClass(self.person1), 
          object_getClass(self.person2)); 
// NSKVONotifying_Person Person

NSLog(@"元类对象 - %@ %@",
          object_getClass(object_getClass(self.person1)), 
          object_getClass(object_getClass(self.person2))); 
// NSKVONotifying_Person Person
 

3.我们发现通过object_getClass打印person1的superclass是Person这个类型，说明新派生出来的NSKVONotifying_Person是Person的子类

NSLog(@"父类 - %@ %@", 
		object_getClass(self.person1).superclass,
        object_getClass(self.person2).superclass);
        // Person NSObject

4.通过打印我们发现，person1调用的setAge方法的内存地址发生了改变，通过LLDB打印该地址的详细信息发现setAge方法的实现实际是Foundation框架中的_NSSetIntValueAndNotify这个函数

(lldb) p (IMP)0x7fff207b62b7
(IMP) $2 = 0x00007fff207b62b7 (Foundation`_NSSetIntValueAndNotify)
(lldb) p (IMP) 0x108801480
(IMP) $3 = 0x0000000108801480 (Interview01`-[Person setAge:] at Person.m:13)

5.我们手动创建这个派生类型NSKVONotifying_Person，并且在Person里面重写setAge:、willChangeValueForKey:、didChangeValueForKey:这三个方法，运行程序并观察调用情况

@interface NSKVONotifying_Person : Person

@end

@implementation NSKVONotifying_Person

@end


@interface Person : NSObject

@property (assign, nonatomic) int age;
@property (assign, nonatomic) int height;
@end

@implementation Person

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

- (void)willChangeValueForKey:(NSString *)key
{
    [super willChangeValueForKey:key];
    
    NSLog(@"willChangeValueForKey");
}

- (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key
{
    NSLog(@"didChangeValueForKey - begin");
    
    [super didChangeValueForKey:key];
    
    NSLog(@"didChangeValueForKey - end");
}

@end

由此可见，当监听的属性发生改变，系统派生出的这个类NSKVONotifying_Person(在)会对应的先后调用

• willChangeValueForKey:
• setAge:
• didChangeValueForKey: 这三个方法，并在didChangeValueForKey:里调用观察者的observeValueForKeyPath: ofObject: change:来通知值属性值的变化

// 执行后打印
2021-01-19 13:42:02.071987+0800 Interview01[37119:19609444] willChangeValueForKey
2021-01-19 13:42:02.072192+0800 Interview01[37119:19609444] setAge:
2021-01-19 13:42:02.072332+0800 Interview01[37119:19609444] didChangeValueForKey - begin
2021-01-19 13:42:02.072662+0800 Interview01[37119:19609444] 监听到<Person: 0x6000036ac2c0>的age属性值改变了 - {
    kind = 1;
    new = 21;
    old = 1;
} - 123
2021-01-19 13:42:02.072817+0800 Interview01[37119:19609444] didChangeValueForKey - end

6.通过class方法打印person1的类发现还是Person这个类型，说明在派生出的这个类NSKVONotifying_Person内部重写了class方法，并返回的是Person这个类型。所以只能通过object_getClass才能获取到真实的类型

NSLog(@"%@ %@",
          [self.person1 class], 
          [self.person2 class]); 
// Person Person

NSLog(@"%@ %@",
          object_getClass(self.person1), 
          object_getClass(self.person2)); 
// NSKVONotifying_Person Person

7.通过Runtime的class_copyMethodList函数查看NSKVONotifying_Person内部还动态生成了dealloc、_isKVOA这两个函数

- (void)printMethodNamesOfClass:(Class)cls
{
    unsigned int count;
    // 获得方法数组
    Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
    
    // 存储方法名
    NSMutableString *methodNames = [NSMutableString string];
    
    // 遍历所有的方法
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        // 获得方法
        Method method = methodList[i];
        // 获得方法名
        NSString *methodName = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        // 拼接方法名
        [methodNames appendString:methodName];
        [methodNames appendString:@", "];
    }
    
    // 释放
    free(methodList);
    
    // 打印方法名
    NSLog(@"%@ %@", cls, methodNames);
}

[self printMethodNamesOfClass:object_getClass(self.person1)];
[self printMethodNamesOfClass:object_getClass(self.person2)];

// 打印结果
2021-01-19 15:38:13.552990+0800 Interview01[41940:19730538] NSKVONotifying_MJPerson setAge:, class, dealloc, _isKVOA,
2021-01-19 15:38:13.553166+0800 Interview01[41940:19730538] MJPerson setAge:, age,

三、总结

通过上面一系列操作可以汇总为：

• 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
• 全新的子类会重写class这个函数，并返回父类类型
• 在全新的子类里面会重写被监听的成员对象/属性的setter方法,当修改instance对象的属性时，会调用Foundation的_NSSetXXXValueAndNotify函数
• • 函数内部首先调用willChangeValueForKey:
• • 紧接着函数内部 调用父类原来的setter
• • 最后调用didChangeValueForKey:
• • • 内部会触发监听器（Oberser）的监听方法 observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:

四、KVO的应用场景

• 1.监听ScrollView的偏移量，改变导航栏背景色
• 2.给TextView增加placeHolder，通过KVO监听文本是否输入对应隐藏展示placeHolder
• ...

专题系列文章

1.前知识

• 01-探究iOS底层原理|综述
• 02-探究iOS底层原理|编译器LLVM项目【Clang、SwiftC、优化器、LLVM】
• 03-探究iOS底层原理|LLDB
• 04-探究iOS底层原理|ARM64汇编

2. 基于OC语言探索iOS底层原理

• 05-探究iOS底层原理|OC的本质
• 06-探究iOS底层原理|OC对象的本质
• 07-探究iOS底层原理|几种OC对象【实例对象、类对象、元类】、对象的isa指针、superclass、对象的方法调用、Class的底层本质
• 08-探究iOS底层原理|Category底层结构、App启动时Class与Category装载过程、load 和 initialize 执行、关联对象
• 09-探究iOS底层原理|KVO
• 10-探究iOS底层原理|KVC
• 11-探究iOS底层原理|探索Block的本质|【Block的数据类型(本质)与内存布局、变量捕获、Block的种类、内存管理、Block的修饰符、循环引用】
• 12-探究iOS底层原理|Runtime1【isa详解、class的结构、方法缓存cache_t】
• 13-探究iOS底层原理|Runtime2【消息处理(发送、转发)&&动态方法解析、super的本质】
• 14-探究iOS底层原理|Runtime3【Runtime的相关应用】
• 15-探究iOS底层原理|RunLoop【两种RunloopMode、RunLoopMode中的Source0、Source1、Timer、Observer】
• 16-探究iOS底层原理|RunLoop的应用
• 17-探究iOS底层原理|多线程技术的底层原理【GCD源码分析1:主队列、串行队列&&并行队列、全局并发队列】
• 18-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析1:dispatch_get_global_queue与dispatch_(a)sync、单例、线程死锁】
• 19-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析2:栅栏函数dispatch_barrier_(a)sync、信号量dispatch_semaphore】
• 20-探究iOS底层原理|多线程技术【GCD源码分析3:线程调度组dispatch_group、事件源dispatch Source】
• 21-探究iOS底层原理|多线程技术【线程锁：自旋锁、互斥锁、递归锁】
• 22-探究iOS底层原理|多线程技术【原子锁atomic、gcd Timer、NSTimer、CADisplayLink】
• 23-探究iOS底层原理|内存管理【Mach-O文件、Tagged Pointer、对象的内存管理、copy、引用计数、weak指针、autorelease

3. 基于Swift语言探索iOS底层原理

关于函数、枚举、可选项、结构体、类、闭包、属性、方法、swift多态原理、String、Array、Dictionary、引用计数、MetaData等Swift基本语法和相关的底层原理文章有如下几篇:

• Swift5核心语法1-基础语法
• Swift5核心语法2-面向对象语法1
• Swift5核心语法2-面向对象语法2
• Swift5常用核心语法3-其它常用语法
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