KVO实现原理剖析

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 。 

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:@"%@:%@
	class %@
	objclass %@
	implementmethod %@
",
      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
", [control methodForSelector:@selector(setX:)], [x methodForSelector:@selector(setX:)]);
  printf("Using libobjc method, normal setX is %p, overrite setX is %p
",
         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 ClassTest
  objclass NSKVONotifying_ClassTest
  implementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOA
y:<ClassTest: 0x89516c0>
  class ClassTest
  objclass NSKVONotifying_ClassTest
  implementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOA
xy:<ClassTest: 0x89516d0>
  class ClassTest
  objclass NSKVONotifying_ClassTest
  implementmethod setY: , setX: , class , dealloc , _isKVOA
control:<ClassTest: 0x89516e0>
  class ClassTest
  objclass ClassTest
  implementmethod z , x , setX: , y , setY: , setZ: , observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:
Using NSObject method, normal setX is 0x4ae0, overrite setX is 0x1134526
Using 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。