解析KVO实现原理

最近看了一些关于ios runtime相关的资料，看到网上有人发的关于kvo的实现原理，刚好有时间自己研究了一遍，整理下分享给初学的朋友。

KVO的全称是Key-Value Observing，它实现了一种机制，对所关心的属性对象添加观察者，当属性值发生变化时会得到通知，我们可以对变化做相应的处理。看过设计模式的同学应该知道，这是一种典型的观察者模式。KVO的最大优点就是底层框架已经支持，开发人员不需要实现属性值发生变化时发送通知的方案，这样就大大减少开发的工作量。其次，KVO框架很强大，可以支持多个观察者观察同一属性，或者一个观察者监听不同属性。

KVO的使用比较简单，基本上都是三步：

1.注册观察者

addObserver:forKeyPath:options:context:

2.观察者中实现

observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:

3.移除观察者

removeObserver:forKeyPath:

使用方法比较简单，我们这里就不详细解释了，不懂的地方可以查阅sdk，接下来我们看看KVO的实现原理，这需要大家对Objective-C的对象模型有一定了解。如不了解，请参考之前分享的文章，苹果iOS开发深入浅出Cocoa之类与对象。

研究KVO的时候我们发现系统使用Objective-C 强大的runtime功能实现了这个功能。属性类class中并没有实现KVO通知的相关方案，而是在调用addObserver之后定义属性类的子类subclass，subclass里边实现了属性的setter方法，setter方法中实现发动通知的功能。然后subclass中实现class函数，还让返回属性类的class，再让属性类对象的isa指向subclass，这样就伪装成表面上看还是属性类自己实现的通知功能。通过原理我们可以看出， 必须使用属性方法或者setValue:forKey方法赋值才会发送通知，直接赋值是不会收到通知的。

接下来我们写个演示程序看看KVO是怎么实现的：

@interface ClassTest : NSObject{    int x;    int y;    int z;}@property (nonatomic, assign) int x;@property (nonatomic, assign) int y;@property (nonatomic, assign) int z;@end@implementation ClassTest@synthesize x, y,z;-(void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{    if([keyPath isEqualToString:@"x"])    {        NSObject* new = [change objectForKey:@"new"];        NSLog(@"new x is %@", new);    }    else    {        [super observeValueForKeyPath:keyPath ofObject:object change:change context:context];    }}@end

定义ClassTest类，定义三个属性x, y, z。

static NSArray* classMethodList(Class c){    NSMutableArray* array = [NSMutableArray arrayWithCapacity:5];    unsigned int count = 0;    Method* methodList = class_copyMethodList(c, &count);    for(int i = 0; i < count; ++i)    {        SEL sel = method_getName(*(methodList+i));        [array addObject:NSStringFromSelector(sel)];    }    free(methodList);    return array;}

定义classMethodList函数使用Objective-C runtime函数遍历class，获得方法列表

static void printDescription(NSString* name, id obj){    NSString* string = [NSString stringWithFormat:@"%@:%@\n\tclass %@\n\tobjclass %@\n\timplementmethod %@\n",                        name,                        obj,                        [obj class],                        object_getClass(obj),                        [classMethodList(object_getClass(obj)) componentsJoinedByString:@" , "]];    printf("%s", [string UTF8String]);}

定义printDescription函数打印对象的所有信息，包括函数class信息和运行时动态class信息，注意这里object_getClass(obj)和obj->isa是等价的，只不过Objective-C 2.0开始不支持直接调用isa。

int main(int argc, char * argv[]){    @autoreleasepool {        ClassTest* x = [[ClassTest alloc] init];        ClassTest* y = [[ClassTest alloc] init];        ClassTest* xy = [[ClassTest alloc] init];        ClassTest* control = [[ClassTest alloc] init];                [x addObserver:x forKeyPath:@"x" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];        [y addObserver:y forKeyPath:@"y" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];        [xy addObserver:xy forKeyPath:@"x" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];        [xy addObserver:xy forKeyPath:@"y" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];                printDescription(@"x", x);        printDescription(@"y", y);        printDescription(@"xy", xy);        printDescription(@"control", control);                printf("Using NSObject method, normal setX is %p, overrite setX is %p\n", [control methodForSelector:@selector(setX:)], [x methodForSelector:@selector(setX:)]);        printf("Using libobjc method, normal setX is %p, overrite setX is %p\n",               class_getMethodImplementation(object_getClass(control), @selector(setX:)),               class_getMethodImplementation(object_getClass(x), @selector(setX:)));                return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));    }}

我们在main函数中定义ClassTest对象x, y, z, control，x添加对属性x的观察者，y添加对属性y的观察者，xy添加对属性x和属性y的观察者，control不添加任何观察者，然后通过printDescription打印对象的信息，最后打印setX函数的地址，我们看看最终的打印结果。

x:<ClassTest: 0x8951690>class ClassTestobjclass NSKVONotifying_ClassTestimplementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOAy:<ClassTest: 0x89516c0>class ClassTestobjclass NSKVONotifying_ClassTestimplementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOAxy:<ClassTest: 0x89516d0>class ClassTestobjclass NSKVONotifying_ClassTestimplementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOAcontrol:<ClassTest: 0x89516e0>class ClassTestobjclass ClassTestimplementmethod z , x , setX: , y , setY: , setZ: , observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:Using NSObject method, normal setX is 0x4ae0, overrite setX is 0x1134526Using libobjc method, normal setX is 0x4ae0, overrite setX is 0x1134526

从打印结果我们看到，实际上系统定了一个叫做 NSKVONotifying_ClassTest的子类，子类中实现了

setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOA函数，这个_isKVOA函数应该是个私有函数，用来判断是否kvo框架生成的类，x, y, xy对象的运行时类都指向NSKVONotifying_ClassTest，通过class函数返回的类还是指向ClassTest，但是control对象的不管运行时类还是class函数返回的类都指向ClassTest。这样就验证了系统是通过定义Classtest类的子类来实现属性方法发送通知的，系统很聪明，子类中并没有实现setZ方法，因为我们并没有对属性z添加观察者。

在看看最后两行打印的结果，control对象的setX函数地址和x对象的setX函数地址是不一样的，说明setX函数被重写了。看别人之前的文章，通过NSObject方法打印control和x的setX函数地址是一样的，现在验证的结果地址却不一样，和使用runtime方法打印的结果完全一致，这个估计是新的系统底层做了修改，让使用NSObject的methodForSelector方法获得函数是子类的函数。