前言

上一篇文章學(xué)習(xí)了KVC的原理（鍵值編碼），KVC是由NSKeyValueCoding非正式協(xié)議啟用的一種機(jī)制，對(duì)象采用該機(jī)制來(lái)提供對(duì)其屬性的間接訪問(wèn)。而KVO的實(shí)現(xiàn)是基于KVC鍵值編碼，以下我們進(jìn)行探討。

準(zhǔn)備工作

鍵值觀察編程指南

KVO協(xié)議定義

KVO全稱是Key-value Observing，翻譯過(guò)來(lái)就是：鍵值觀察。提供了一種當(dāng)其它對(duì)象屬性被修改的時(shí)候能通知當(dāng)前對(duì)象的機(jī)制。

• KVO的定義
  類似于KVC，KVO的定義都是對(duì)NSObject的擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的，KVO的定義在Foundation里面，而Foundation框架是不開源的，只能在蘋果官方文檔查找。見下圖：
  
  KVO分類定義
  
  KVO（鍵值觀察）是一種機(jī)制，它允許對(duì)象在其他對(duì)象的指定屬性發(fā)生更改時(shí)收到通知。它對(duì)于應(yīng)用程序中模型層和控制器層之間的通信特別有用。

注意：要使用KVO，首先必須確保被觀察對(duì)象符合KVO。一般情況下，如果您的對(duì)象繼承自NSObject并且您以通常的方式創(chuàng)建屬性，則您的對(duì)象及其屬性將自動(dòng)符合KVO。

• KVO提供的API
• 監(jiān)聽注冊(cè)
  使用方法addObserver:forKeyPath:options:context:向被觀察對(duì)象注冊(cè)觀察者。必須執(zhí)行以下步驟才能使對(duì)象能夠接收KVO兼容屬性的鍵值觀察通知，觀察者指定一個(gè)選項(xiàng)參數(shù)options和一個(gè)上下文指針context來(lái)管理通知的各個(gè)方面。

- (void)addObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath options:(NSKeyValueObservingOptions)options context:(nullable void *)context;

• 接收通知
  在觀察者內(nèi)部實(shí)現(xiàn)observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:以接受更改通知消息。

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

• 移除監(jiān)聽
  使用方法- (void)removeObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath;移除觀察者

- (void)removeObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath;

KVO的使用

監(jiān)聽選項(xiàng)option

監(jiān)聽選項(xiàng)是由枚舉NSKeyValueObservingOptions定義的：

    typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, NSKeyValueObservingOptions) {
            NSKeyValueObservingOptionNew = 0x01,
            NSKeyValueObservingOptionOld = 0x02,
            NSKeyValueObservingOptionInitial API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0)) = 0x04,
            NSKeyValueObservingOptionPrior API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0)) = 0x08
    }

注意：option會(huì)影響通知中，提供的更改字典的內(nèi)容以及生成通知的方式

• NSKeyValueObservingOptionNew
  監(jiān)聽獲取屬性的新值，見下圖:
  
  監(jiān)聽獲取屬性新值
• NSKeyValueObservingOptionOld
  監(jiān)聽屬性獲取舊值，見下圖：
  
  監(jiān)聽屬性獲取舊值
• NSKeyValueObservingOptionInitial
  添加觀察者的時(shí)候立即發(fā)送一個(gè)通知給觀察者，見下圖：
  
  發(fā)送通知給觀察者
  
  在每次修改屬性時(shí)，會(huì)在修改通知被發(fā)送之前預(yù)先發(fā)送一條通知給觀察者，這與-willChangeValueForKey:被觸發(fā)的時(shí)間是相對(duì)應(yīng)的。這樣，在每次修改屬性時(shí)，實(shí)際上是會(huì)發(fā)送兩條通知，見下圖：
  
  修改屬性發(fā)送兩條通知

上下文指針Context

addObserver:forKeyPath:options:context:消息中的上下文指針包含任意數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將在相應(yīng)的更改通知中傳遞回觀察者。您可以指定NULL并完全依賴鍵路徑字符串來(lái)確定更改通知的來(lái)源，但這種方法可能會(huì)導(dǎo)致超類由于不同原因也在觀察相同鍵路徑的對(duì)象出現(xiàn)問(wèn)題。

一下實(shí)現(xiàn)一個(gè)案例，LGStudent繼承自LGPerson，同時(shí)對(duì)兩個(gè)對(duì)象的name屬行進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)添加上下文指針context，可以在接收通知的地方進(jìn)行過(guò)濾。見下圖：

案例分析

KVO使用技巧

• 同一個(gè)對(duì)象重復(fù)注冊(cè)為同一屬性的觀察者
  可以多次調(diào)用addObserver:forKeyPath:options:context:這個(gè)方法，將同一個(gè)對(duì)象注冊(cè)為同一屬性的觀察者(所有參數(shù)可以完全相同)。這時(shí)，即便在所有參數(shù)一致的情況下，新注冊(cè)的觀察者并不會(huì)替換原來(lái)觀察者，而是會(huì)并存。這樣，當(dāng)屬性被修改時(shí)，兩次監(jiān)聽都會(huì)響應(yīng)。見下面的案例分析：
  

  案例分析
  
  通過(guò)以上的案例，KVO注冊(cè)多少次就會(huì)有多少次的回調(diào)，不會(huì)覆蓋相同的觀察者。

• 移除觀察者
  在觀察者不再需要監(jiān)聽屬性變化時(shí)，必須調(diào)用removeObserver:forKeyPath:或removeObserver:forKeyPath:context:方法來(lái)移除觀察者，這兩個(gè)方法的聲明如下：

- (void)removeObserver:(NSObject *)anObserver
            forKeyPath:(NSString *)keyPath

- (void)removeObserver:(NSObject *)observer
            forKeyPath:(NSString *)keyPath
               context:(void *)context

這兩個(gè)方法會(huì)根據(jù)傳入的參數(shù)(主要是keyPath和context)來(lái)移除觀察者。移除觀察者可以避免監(jiān)聽回調(diào)的混亂，保持良好的代碼質(zhì)量。

注意：如果observer沒有監(jiān)聽keyPath屬性，依然調(diào)用上面兩個(gè)方法會(huì)拋出異常，見下圖：

拋出異常

官方說(shuō)明

• • 如果尚未注冊(cè)為觀察者，則要求將其移除為觀察者會(huì)導(dǎo)致NSRangeException。
• • 解除分配時(shí)，觀察者不會(huì)自動(dòng)刪除自己。被觀察的對(duì)象繼續(xù)發(fā)送通知，而忽略了觀察者的狀態(tài)。但是，發(fā)送到已釋放對(duì)象的更改通知與任何其他消息一樣，會(huì)觸發(fā)內(nèi)存訪問(wèn)異常。因此，您要確保觀察者在從記憶中消失之前將自己移除。
• • 該協(xié)議沒有提供詢問(wèn)對(duì)象是觀察者還是被觀察者的方法。所以在構(gòu)建代碼時(shí)，避免與發(fā)布相關(guān)的錯(cuò)誤。

• 自動(dòng)監(jiān)聽和手動(dòng)監(jiān)聽

+ (BOOL)automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)key

默認(rèn)情況下，該方法返回YES，即表示默認(rèn)可以對(duì)任何類中的所有屬性進(jìn)行監(jiān)聽，可以理解為自動(dòng)監(jiān)聽。在這種模式下，當(dāng)我們修改屬性的值時(shí)，KVO會(huì)自動(dòng)調(diào)用以下兩個(gè)方法：

- (void)willChangeValueForKey:(NSString *)key
- (void)didChangeValueForKey:(NSString *)key

開發(fā)過(guò)程中，可能不需要對(duì)所有屬性進(jìn)行監(jiān)聽，只要求選擇性的觀察部分屬性。此時(shí)+ (BOOL)automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)key方法返回NO，那么就需要對(duì)屬性進(jìn)行手動(dòng)監(jiān)聽。見下面代碼：

// 自動(dòng)監(jiān)聽開關(guān)-關(guān)閉
+ (BOOL) automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)key{
    return NO;
}

- (void)setName:(NSString *)name{
    [self willChangeValueForKey:@"name"];
    _name = name;
    [self didChangeValueForKey:@"name"];
}

此時(shí)自動(dòng)監(jiān)聽開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，如果需要監(jiān)聽person對(duì)象的name屬性的變化，就需要在setter方法中添加willChangeValueForKey和didChangeValueForKey方法，兩個(gè)方法必須成對(duì)出現(xiàn)，否則無(wú)效。

如果我們?cè)陂_發(fā)過(guò)程中只是針對(duì)某幾個(gè)屬性進(jìn)行手動(dòng)接收通知，其他的不需要手動(dòng)接收通知，那么我們可以精確的做到這個(gè)動(dòng)作，通過(guò)+automaticallyNotifiesObserversForKey:方法可以設(shè)置對(duì)象中哪些屬性需要手動(dòng)處理，那么可以自動(dòng)處理。見下圖：

案例

• 確保屬性發(fā)生變化發(fā)送通知
  如果希望只有當(dāng)屬性值實(shí)際被修改時(shí)發(fā)送通知，以盡量減少不必要的通知，則可以如下實(shí)現(xiàn)：(做屬性的攔截判斷)

    - (void)setNick:(NSString *)nick{
        if (nick != _nick){
            [self willChangeValueForKey:@"nick"];
            _nick = nick;
            [self didChangeValueForKey:@"nick"];
        }
    }

補(bǔ)充：如果我們?cè)?code>setter方法之外改變了實(shí)例變量(如_nick)，且希望這種修改被觀察者監(jiān)聽到，則需要像在setter方法里面做一樣的處理。這也涉及到我們通常會(huì)遇到的一個(gè)問(wèn)題，在類的內(nèi)部，對(duì)于一個(gè)屬性值，何時(shí)用屬性(self.nick)訪問(wèn)，而何時(shí)用實(shí)例變量(_nick)訪問(wèn)。一般的建議是，在獲取屬性值時(shí)，可以用實(shí)例變量；在設(shè)置屬性值時(shí)，盡量用setter方法，以保證屬性的KVO特性。當(dāng)然，性能也是一個(gè)考量，在設(shè)置值時(shí)，使用實(shí)例變量比使用屬性設(shè)置值的性能高不少。

• 多屬性依賴
  我們監(jiān)聽的某個(gè)屬性可能會(huì)依賴于其它多個(gè)屬性的變化，不管所依賴的哪個(gè)屬性發(fā)生了變化，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算屬性的變化。對(duì)于這種一對(duì)一(To-one)的關(guān)系，我們需要做兩步操作，首先是確定計(jì)算屬性與所依賴屬性的關(guān)系。如我們?cè)?code>Person類中定義一個(gè)fullName屬性，其getter方法定義如下：

    - (NSString *)fullName {
        return [[NSString alloc] initWithFormat:@"he's full name is :%@ , %@", self.name, self.nick];
    }

定義了這種依賴關(guān)系后，需要以某種方式告訴KVO，當(dāng)我們的被依賴屬性修改時(shí)，會(huì)發(fā)送fullName屬性被修改的通知。此時(shí)，我們需要重寫NSKeyValueObserving協(xié)議的keyPathsForValuesAffectingValueForKey:方法，這個(gè)方法返回的是一個(gè)集合對(duì)象，包含了哪些影響key指定的屬性依賴的屬性所對(duì)應(yīng)的字符串。所以對(duì)于fullName屬性，該方法的實(shí)現(xiàn)如下：

    + (NSSet<NSString *> *)keyPathsForValuesAffectingValueForKey:(NSString *)key{
        NSSet *keyPaths = [super keyPathsForValuesAffectingValueForKey:key];
        if ([key isEqualToString:@"fullName"]) {
            NSArray *affectingKeys = @[@"name", @"nick"];
            keyPaths = [keyPaths setByAddingObjectsFromArray:affectingKeys];
        }
        return keyPaths;
    }

看看fullName監(jiān)聽效果:

fullName監(jiān)聽效果

• 集合屬性的監(jiān)聽
  對(duì)于不可變集合屬性，我們更多的是把它當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)監(jiān)聽，而無(wú)法去監(jiān)聽集合中的某個(gè)元素的變化；對(duì)于可變集合屬性，實(shí)際上也是當(dāng)成一個(gè)整體，去監(jiān)聽它整體的變化，如添加、刪除和替換元素。具體案例如下：
  
  可變數(shù)組添加監(jiān)聽
  
  如果想監(jiān)聽集合中數(shù)據(jù)的變化，如添加、刪除和替換元素該如何處理呢？向可變數(shù)組中添加元素，這種處理方式沒有效果。見下圖：
  
  數(shù)組中添加元素案例
  
  KVO鍵值監(jiān)聽實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是KVC。我們以數(shù)組為例，在我們的Person類中有一個(gè)dateArray數(shù)組屬性，如果我們希望響應(yīng)dateArray所有的方法，則需要實(shí)現(xiàn)以下方法：
  
  官方說(shuō)明
  
  所以對(duì)于可變集合，我們不使用valueForKey:來(lái)獲取對(duì)象，而是使用以下方法：
  
  案例分析
  
  由打印信息可以發(fā)現(xiàn)kind字段的值發(fā)生了而變化，輸出值為2、3、4。這是因?yàn)椋?code>KVO機(jī)制能在集合改變的時(shí)候把詳細(xì)的變化放進(jìn)change字典中。

補(bǔ)充：集合(Set)也有一套對(duì)應(yīng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)集合代理對(duì)象，包括無(wú)序集合與有序集合；而字典則沒有，對(duì)于字典屬性的監(jiān)聽，還是只能作為一個(gè)整體來(lái)處理。

如果我們想到手動(dòng)控制集合屬性消息的發(fā)送，則可以使用上面提到的幾個(gè)方法，即：

    -willChange:valuesAtIndexes:forKey:
    -didChange:valuesAtIndexes:forKey:

    或

    -willChangeValueForKey:withSetMutation:usingObjects:
    -didChangeValueForKey:withSetMutation:usingObjects:

注意：先要把自動(dòng)通知關(guān)閉，否則每次改變KVO都會(huì)被發(fā)送兩次。

• 變化字典
  觀察者對(duì)象必須實(shí)現(xiàn) -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法，來(lái)對(duì)屬性修改通知做相應(yīng)的處理。這個(gè)方法的聲明如下：

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath
                      ofObject:(id)object
                        change:(NSDictionary *)change
                       context:(void *)context

第三個(gè)參數(shù)，通常稱之為變化字典(Change Dictionary)，它記錄了被監(jiān)聽屬性的變化情況。這個(gè)字典中包含的值，會(huì)根據(jù)我們?cè)谔砑佑^察者時(shí)設(shè)置的options參數(shù)的不同而有所不同，它包含了屬性被修改的一些信息。我們可以通過(guò)以下key來(lái)獲取我們想要的信息：

typedef NSString * NSKeyValueChangeKey NS_STRING_ENUM;

/* 
Keys for entries in change dictionaries. See the comments for -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: for more information.
*/
FOUNDATION_EXPORT NSKeyValueChangeKey const NSKeyValueChangeKindKey;
FOUNDATION_EXPORT NSKeyValueChangeKey const NSKeyValueChangeNewKey;
FOUNDATION_EXPORT NSKeyValueChangeKey const NSKeyValueChangeOldKey;
FOUNDATION_EXPORT NSKeyValueChangeKey const NSKeyValueChangeIndexesKey;
FOUNDATION_EXPORT NSKeyValueChangeKey const NSKeyValueChangeNotificationIsPriorKey API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

其中，NSKeyValueChangeKindKey的值取自于NSKeyValueChange，它的值是由以下枚舉定義的：

enum {
     // 設(shè)置一個(gè)新值。被監(jiān)聽的屬性可以是一個(gè)對(duì)象，也可以是一對(duì)一關(guān)系的屬性或一對(duì)多關(guān)系的屬性。
     NSKeyValueChangeSetting = 1,
     // 表示一個(gè)對(duì)象被插入到一對(duì)多關(guān)系的屬性。
     NSKeyValueChangeInsertion = 2,
     // 表示一個(gè)對(duì)象被從一對(duì)多關(guān)系的屬性中移除。
     NSKeyValueChangeRemoval = 3,
     // 表示一個(gè)對(duì)象在一對(duì)多的關(guān)系的屬性中被替換
     NSKeyValueChangeReplacement = 4
 };
 typedef NSUInteger NSKeyValueChange;

KVO實(shí)現(xiàn)原理

在上面了解了NSKeyValueObserving所提供的功能后，我們?cè)賮?lái)看看KVO的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以便更深入地的理解KVO。KVO沒有開源，所以我們無(wú)法從源代碼的層面來(lái)分析它的實(shí)現(xiàn)。那么我們還是先查看官方的描述：

官方說(shuō)明

• 尋找中間類NSKVONotifying_LGPerson
  首先我們通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)，來(lái)逐步跟蹤person對(duì)象isa指針?biāo)赶虻念?，見下圖：
  
  跟蹤isa指向
  
  在添加監(jiān)聽之前，person對(duì)象對(duì)應(yīng)的類是LGPerson，添加過(guò)監(jiān)聽之后，person對(duì)象isa指向的類是NSKVONotifying_LGPerson。這個(gè)類應(yīng)該就是官網(wǎng)中說(shuō)到的中間類。

那么這個(gè)中間類是何時(shí)創(chuàng)建的呢？我們?cè)谡{(diào)用addObserver:forKeyPath:options:context:方法之前，獲取NSKVONotifying_LGPerson這個(gè)類，發(fā)現(xiàn)這個(gè)類并不存在。見下圖：

案例分析

• NSKVONotifying_LGPerson和LGPerson的關(guān)系
  通過(guò)lldb調(diào)試，打印NSKVONotifying_LGPerson類的地址，獲取其內(nèi)存空間，發(fā)現(xiàn)NSKVONotifying_LGPerson的父類是LGPerson類。
  

  案例分析
  
  所以，NSKVONotifying_LGPerson是LGPerson的子類。(如果不明白為什么看內(nèi)存就知道是父類的話建議區(qū)看看類的內(nèi)存結(jié)構(gòu))

• 中間類提供的方法
  提供下面一個(gè)輔助方法，用來(lái)獲取類中的方法列表。如下：

    #pragma mark **- 遍歷方法-ivar-property**
    - (void)printClassAllMethod:(Class)cls{
        unsigned int count = 0;
        Method *methodList = class_copyMethodList(cls, &count);
        for (int i = 0; i<count; i++) {
            Method method = methodList[i];
            SEL sel = method_getName(method);
            IMP imp = class_getMethodImplementation(cls, sel);
            NSLog(@"%@-%p",NSStringFromSelector(sel),imp);
        }
        free(methodList);
    }

在調(diào)用addObserver:forKeyPath:options:context:方法之后，調(diào)用該輔助方法，查看NSKVONotifying_LGPerson類中有哪些功能。見下圖：

查看子類的方法

• 對(duì)象的isa何時(shí)修復(fù)
  通過(guò)上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)在調(diào)用addObserver:forKeyPath:options:context:方法之后，對(duì)象的isa指向了一個(gè)中間類，那么isa和在重新執(zhí)行LGPerson類呢？

• (void)removeObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath;方法，也就是移除監(jiān)聽的時(shí)候。我們來(lái)驗(yàn)證一下：
  

  驗(yàn)證isa修復(fù)
  
  在調(diào)用- (void)removeObserver:(NSObject *)observer forKeyPath:(NSString *)keyPath;方法之后，對(duì)象的isa指針重新指向了LGPerson類。

注意：在完成觀察者的銷毀之后，這個(gè)中間類依然存在，并沒有被銷毀。（為下次使用做準(zhǔn)備，性能的考慮，避免重復(fù)創(chuàng)建），請(qǐng)繼續(xù)往下看。

中間類沒有銷毀

• 中間類中setter方法的作用
  這里setter方法做了什么，監(jiān)聽的是屬性還是成員變量呢？我們做個(gè)監(jiān)聽分別采用操作屬性和訪問(wèn)成員變量的方式，分別變更nickName和name，見下圖：
  
  驗(yàn)證中間類的setter方法
  
  說(shuō)明KVO實(shí)際是通過(guò)setter方法監(jiān)聽的是屬性。我們可以通過(guò)監(jiān)聽nickName成員變量來(lái)分析底層調(diào)用過(guò)程。見下圖：
  
  堆棧分析
  
  通過(guò)堆棧我們可以發(fā)現(xiàn)，在調(diào)用setNickName方法是，底層實(shí)際是調(diào)用了下面的流程：
• Foundation _NSSetObjectValueAndNotify
• Foundation -[NSObject(NSKeyValueObservingPrivate)
• _changeValueForKey:key:key:usingBlock:]
• Foundation -[NSObject(NSKeyValueObservingPrivate)
• _changeValueForKeys:count:maybeOldValuesDict:maybeNewValuesDict:usingBlock:]

總結(jié)

Objective-C基于強(qiáng)大的run time機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)KVO。當(dāng)?shù)谝淮斡^察某個(gè)對(duì)象的屬性時(shí)，run time會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的繼承自這個(gè)對(duì)象的class的subclass。在這個(gè)新的subclass中，它會(huì)重寫所有被觀察的key的setter方法，然后將對(duì)象的isa指針指向新創(chuàng)建的class(這個(gè)指針告訴Objective-C運(yùn)行時(shí)某個(gè)對(duì)象到底是什么類型的)。所以實(shí)例對(duì)象變成了新的子類的實(shí)例。完成以上操作后，通過(guò)調(diào)用setter方法進(jìn)行相關(guān)屬性的變化時(shí)，操作的就是這個(gè)中間的子類。但是底層依然會(huì)將對(duì)中間類操作的狀態(tài)，同步到原對(duì)象中。在進(jìn)行監(jiān)聽移除后，對(duì)象的isa回復(fù)到原來(lái)的類上，且中間類沒有跟著被移除。