(译)KVO的内部实现

浏览数：20 / 时间：2015年06月09日
 
09年的一篇文章，比较深入地阐述了KVO的内部实现。
 
KVO是实现Cocoa Bindings的基础，它提供了一种方法，当某个属性改变时，相应的objects会被通知到。在其他语言中，这种观察者模式通常需要单独实现，而在Objective-C中，通常无须增加额外代码即可使用。
 
概览
这是怎么实现的呢？其实这都是通过Objective-C强大的运行时(runtime)实现的。当你第一次观察某个object时，runtime会创建一个新的继承原先class的subclass。在这个新的class中，它重写了所有被观察的key，然后将object的isa指针指向新创建的class（这个指针告诉Objective-C运行时某个object到底是哪种类型的object）。所以object神奇地变成了新的子类的实例。
 
这些被重写的方法实现了如何通知观察者们。当改变一个key时，会触发setKey方法，但这个方法被重写了，并且在内部添加了发送通知机制。（当然也可以不走setXXX方法，比如直接修改iVar，但不推荐这么做）。
 
有意思的是：苹果不希望这个机制暴露在外部。除了setters，这个动态生成的子类同时也重写了-class方法，依旧返回原先的class！如果不仔细看的话，被KVO过的object看起来和原先的object没什么两样。
 
深入探究
下面来看看这些是如何实现的。我写了个程序来演示隐藏在KVO背后的机制。
  1. // gcc -o kvoexplorer -framework Foundation kvoexplorer.m 
  2.      
  3. #import <Foundation/Foundation.h> 
  4. #import <objc/runtime.h> 
  5.  
  6.  
  7. @interface TestClass : NSObject 
  8. { 
  9.     int x; 
  10.     int y; 
  11.     int z; 
  12. } 
  13. @property int x; 
  14. @property int y; 
  15. @property int z; 
  16. @end 
  17.  
  18. @implementation TestClass 
  19. @synthesize x, y, z; 
  20. @end 
  21.  
  22. static NSArray *ClassMethodNames(Class c) 
  23. { 
  24.     NSMutableArray *array = [NSMutableArray array]; 
  25.      
  26.     unsigned int methodCount = 0; 
  27.     Method *methodList = class_copyMethodList(c, &methodCount); 
  28.     unsigned int i; 
  29.     for(i = 0; i < methodCount; i++) 
  30.         [array addObject: NSStringFromSelector(method_getName(methodList[i]))]; 
  31.     free(methodList); 
  32.      
  33.     return array; 
  34. } 
  35.  
  36. static void PrintDescription(NSString *name, id obj) 
  37. { 
  38.     NSString *str = [NSString stringWithFormat: 
  39.         @"%@: %@\n\tNSObject class %s\n\tlibobjc class %s\n\timplements methods <%@>", 
  40.         name, 
  41.         obj, 
  42.         class_getName([obj class]), 
  43.         class_getName(obj->isa), 
  44.         [ClassMethodNames(obj->isa) componentsJoinedByString:@", "]]; 
  45.     printf("%s\n", [str UTF8String]); 
  46. } 
  47.  
  48. int main(int argc, char **argv) 
  49. { 
  50.     [NSAutoreleasePool new]; 
  51.      
  52.     TestClass *x = [[TestClass alloc] init]; 
  53.     TestClass *y = [[TestClass alloc] init]; 
  54.     TestClass *xy = [[TestClass alloc] init]; 
  55.     TestClass *control = [[TestClass alloc] init]; 
  56.      
  57.     [x addObserver:x forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; 
  58.     [xy addObserver:xy forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; 
  59.     [y addObserver:y forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; 
  60.     [xy addObserver:xy forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; 
  61.      
  62.     PrintDescription(@"control", control); 
  63.     PrintDescription(@"x", x); 
  64.     PrintDescription(@"y", y); 
  65.     PrintDescription(@"xy", xy); 
  66.      
  67.     printf("Using NSObject methods, normal setX: is %p, overridden setX: is %p\n", 
  68.           [control methodForSelector:@selector(setX:)], 
  69.           [x methodForSelector:@selector(setX:)]); 
  70.     printf("Using libobjc functions, normal setX: is %p, overridden setX: is %p\n", 
  71.           method_getImplementation(class_getInstanceMethod(object_getClass(control), 
  72.                                    @selector(setX:))), 
  73.           method_getImplementation(class_getInstanceMethod(object_getClass(x), 
  74.                                    @selector(setX:)))); 
  75.      
  76.     return 0; 
  77. } 
 
我们从头到尾细细看来。
 
首先定义了一个TestClass的类，它有3个属性。
 
然后定义了一些方便调试的方法。ClassMethodNames使用Objective-C运行时方法来遍历一个class，得到方法列表。注意，这些方法不包括父类的方法。PrintDescription打印object的所有信息，包括class信息（包括-class和通过运行时得到的class），以及这个class实现的方法。
 
然后创建了4个TestClass实例，每一个都使用了不同的观察方式。x实例有一个观察者观察xkey，y, xy也类似。为了做比较，zkey没有观察者。最后control实例没有任何观察者。
 
然后打印出4个objects的description。
 
之后继续打印被重写的setter内存地址，以及未被重写的setter的内存地址做比较。这里做了两次，是因为-methodForSelector:没能得到重写的方法。KVO试图掩盖它实际上创建了一个新的subclass这个事实！但是使用运行时的方法就原形毕露了。
 
运行代码
 
看看这段代码的输出
  1. control: <TestClass: 0x104b20> 
  2.     NSObject class TestClass 
  3.     libobjc class TestClass 
  4.     implements methods <setX:, x, setY:, y, setZ:, z> 
  5. x: <TestClass: 0x103280> 
  6.     NSObject class TestClass 
  7.     libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
  8.     implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
  9. y: <TestClass: 0x104b00> 
  10.     NSObject class TestClass 
  11.     libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
  12.     implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
  13. xy: <TestClass: 0x104b10> 
  14.     NSObject class TestClass 
  15.     libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
  16.     implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
  17. Using NSObject methods, normal setX: is 0x195e, overridden setX: is 0x195e 
  18. Using libobjc functions, normal setX: is 0x195e, overridden setX: is 0x96a1a550 
 
首先，它输出了controlobject，没有任何问题，它的class是TestClass，并且实现了6个set/get方法。
 
然后是3个被观察的objects。注意-class仍然显示的是TestClass，使用object_getClass显示了这个object的真面目：它是NSKVONotifying_TestClass的一个实例。这个NSKVONotifying_TestClass就是动态生成的subclass！
 
注意，它是如何实现这两个被观察的setters的。你会发现，它很聪明，没有重写-setZ:，虽然它也是个setter，因为它没有被观察。同时注意到，3个实例对应的是同一个class，也就是说两个setters都被重写了，尽管其中的两个实例只观察了一个属性。这会带来一点效率上的问题，因为即使没有被观察的property也会走被重写的setter，但苹果显然觉得这比分开生成动态的subclass更好，我也觉得这是个正确的选择。
 
你会看到3个其他的方法。有之前提到过的被重写的-class方法，假装自己还是原来的class。还有-dealloc方法处理一些收尾工作。还有一个_isKVOA方法，看起来像是一个私有方法。
 
接下来，我们输出-setX:的实现。使用-methodForSelector:返回的是相同的值。因为-setX:已经在子类被重写了，这也就意味着methodForSelector:在内部实现中使用了-class，于是得到了错误的结果。
 
最后我们通过运行时得到了不同的输出结果。
 
作为一个优秀的探索者，我们进入debugger来看看这第二个方法的实现到底是怎样的：
  1. (gdb) print (IMP)0x96a1a550 
  2. $1 = (IMP) 0x96a1a550 <_NSSetIntValueAndNotify> 
 
看起来是一个内部方法，对Foundation使用nm -a得到一个完整的私有方法列表：
  1. 0013df80 t __NSSetBoolValueAndNotify 
  2. 000a0480 t __NSSetCharValueAndNotify 
  3. 0013e120 t __NSSetDoubleValueAndNotify 
  4. 0013e1f0 t __NSSetFloatValueAndNotify 
  5. 000e3550 t __NSSetIntValueAndNotify 
  6. 0013e390 t __NSSetLongLongValueAndNotify 
  7. 0013e2c0 t __NSSetLongValueAndNotify 
  8. 00089df0 t __NSSetObjectValueAndNotify 
  9. 0013e6f0 t __NSSetPointValueAndNotify 
  10. 0013e7d0 t __NSSetRangeValueAndNotify 
  11. 0013e8b0 t __NSSetRectValueAndNotify 
  12. 0013e550 t __NSSetShortValueAndNotify 
  13. 0008ab20 t __NSSetSizeValueAndNotify 
  14. 0013e050 t __NSSetUnsignedCharValueAndNotify 
  15. 0009fcd0 t __NSSetUnsignedIntValueAndNotify 
  16. 0013e470 t __NSSetUnsignedLongLongValueAndNotify 
  17. 0009fc00 t __NSSetUnsignedLongValueAndNotify 
  18. 0013e620 t __NSSetUnsignedShortValueAndNotify 
这个列表也能发现一些有趣的东西。比如苹果为每一种primitive type都写了对应的实现。Objective-C的object会用到的其实只有__NSSetObjectValueAndNotify，但需要一整套来对应剩下的，而且看起来也没有实现完全，比如long dobule或_Bool都没有。甚至没有为通用指针类型(generic pointer type)提供方法。所以，不在这个方法列表里的属性其实是不支持KVO的。
 
KVO是一个很强大的工具，有时候过于强大了，尤其是有了自动触发通知机制。现在你知道它内部是怎么实现的了，这些知识或许能帮助你更好地使用它，或在它出错时更方便调试。
 
如果你打算使用KVO，或许可以看一下我的另一篇文章Key-Value Observing Done Right

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