KVO的內部實現

jingxianli0922發表於2015-10-29

KVO是實現Cocoa Bindings的基礎，它提供了一種方法，當某個屬性改變時，相應的objects會被通知到。在其他語言中，這種觀察者模式通常需要單獨實現，而在Objective-C中，通常無須增加額外程式碼即可使用。
概覽
這是怎麼實現的呢？其實這都是通過Objective-C強大的執行時(runtime)實現的。當你第一次觀察某個object 時，runtime會建立一個新的繼承原先class的subclass。在這個新的class中，它重寫了所有被觀察的key，然後將object的isa指標指向新建立的class（這個指標告訴Objective-C執行時某個object到底是哪種型別的object）。所以object神奇地變成了新的子類的例項。
這些被重寫的方法實現瞭如何通知觀察者們。當改變一個key時，會觸發setKey方法，但這個方法被重寫了，並且在內部新增了傳送通知機制。（當然也可以不走setXXX方法，比如直接修改iVar，但不推薦這麼做）。
有意思的是：蘋果不希望這個機制暴露在外部。除了setters，這個動態生成的子類同時也重寫了-class方法，依舊返回原先的class！如果不仔細看的話，被KVO過的object看起來和原先的object沒什麼兩樣。
深入探究
下面來看看這些是如何實現的。我寫了個程式來演示隱藏在KVO背後的機制。
// gcc -o kvoexplorer -framework Foundation kvoexplorer.m 
     
#import <Foundation/Foundation.h> 
#import <objc/runtime.h> 
 
 
@interface TestClass : NSObject 
{ 
    int x; 
    int y; 
    int z; 
} 
@property int x; 
@property int y; 
@property int z; 
@end 
 
@implementation TestClass 
@synthesize x, y, z; 
@end 
 
static NSArray *ClassMethodNames(Class c) 
{ 
    NSMutableArray *array = [NSMutableArray array]; 
     
    unsigned int methodCount = 0; 
    Method *methodList = class_copyMethodList(c, &methodCount); 
    unsigned int i; 
    for(i = 0; i < methodCount; i++) 
        [array addObject: NSStringFromSelector(method_getName(methodList[i]))]; 
    free(methodList); 
     
    return array; 
} 
 
static void PrintDescription(NSString *name, id obj) 
{ 
    NSString *str = [NSString stringWithFormat: 
        @"%@: %@\n\tNSObject class %s\n\tlibobjc class %s\n\timplements methods <%@>", 
        name, 
        obj, 
        class_getName([obj class]), 
        class_getName(obj->isa), 
        [ClassMethodNames(obj->isa) componentsJoinedByString:@", "]]; 
    printf("%s\n", [str UTF8String]); 
} 
 
int main(int argc, char **argv) 
{ 
    [NSAutoreleasePool new]; 
     
    TestClass *x = [[TestClass alloc] init]; 
    TestClass *y = [[TestClass alloc] init]; 
    TestClass *xy = [[TestClass alloc] init]; 
    TestClass *control = [[TestClass alloc] init]; 
     
    [x addObserver:x forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; 
    [xy addObserver:xy forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; 
    [y addObserver:y forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; 
    [xy addObserver:xy forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; 
     
    PrintDescription(@"control", control); 
    PrintDescription(@"x", x); 
    PrintDescription(@"y", y); 
    PrintDescription(@"xy", xy); 
     
    printf("Using NSObject methods, normal setX: is %p, overridden setX: is %p\n", 
          [control methodForSelector:@selector(setX:)], 
          [x methodForSelector:@selector(setX:)]); 
    printf("Using libobjc functions, normal setX: is %p, overridden setX: is %p\n", 
          method_getImplementation(class_getInstanceMethod(object_getClass(control), 
                                   @selector(setX:))), 
          method_getImplementation(class_getInstanceMethod(object_getClass(x), 
                                   @selector(setX:)))); 
     
    return 0; 
} 
我們從頭到尾細細看來。
首先定義了一個TestClass的類，它有3個屬性。
然後定義了一些方便除錯的方法。ClassMethodNames使用Objective-C執行時方法來遍歷一個class，得到方法列表。注意，這些方法不包括父類的方法。PrintDescription列印object的所有資訊，包括class資訊（包括-class和通過執行時得到的class），以及這個class實現的方法。
然後建立了4個TestClass例項，每一個都使用了不同的觀察方式。x例項有一個觀察者觀察xkey，y, xy也類似。為了做比較，zkey沒有觀察者。最後control例項沒有任何觀察者。
然後列印出4個objects的description。
之後繼續列印被重寫的setter記憶體地址，以及未被重寫的setter的記憶體地址做比較。這裡做了兩次，是因為-methodForSelector:沒能得到重寫的方法。KVO試圖掩蓋它實際上建立了一個新的subclass這個事實！但是使用執行時的方法就原形畢露了。
執行程式碼
看看這段程式碼的輸出
control: <TestClass: 0x104b20> 
    NSObject class TestClass 
    libobjc class TestClass 
    implements methods <setX:, x, setY:, y, setZ:, z> 
x: <TestClass: 0x103280> 
    NSObject class TestClass 
    libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
    implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
y: <TestClass: 0x104b00> 
    NSObject class TestClass 
    libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
    implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
xy: <TestClass: 0x104b10> 
    NSObject class TestClass 
    libobjc class NSKVONotifying_TestClass 
    implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA> 
Using NSObject methods, normal setX: is 0x195e, overridden setX: is 0x195e 
Using libobjc functions, normal setX: is 0x195e, overridden setX: is 0x96a1a550 
首先，它輸出了controlobject，沒有任何問題，它的class是TestClass，並且實現了6個set/get方法。
然後是3個被觀察的objects。注意-class仍然顯示的是TestClass，使用object_getClass顯示了這個object的真面目：它是NSKVONotifying_TestClass的一個例項。這個NSKVONotifying_TestClass就是動態生成的subclass！
注意，它是如何實現這兩個被觀察的setters的。你會發現，它很聰明，沒有重寫-setZ:，雖然它也是個 setter，因為它沒有被觀察。同時注意到，3個例項對應的是同一個class，也就是說兩個setters都被重寫了，儘管其中的兩個例項只觀察了一 個屬性。這會帶來一點效率上的問題，因為即使沒有被觀察的property也會走被重寫的setter，但蘋果顯然覺得這比分開生成動態的 subclass更好，我也覺得這是個正確的選擇。
你會看到3個其他的方法。有之前提到過的被重寫的-class方法，假裝自己還是原來的class。還有-dealloc方法處理一些收尾工作。還有一個_isKVOA方法，看起來像是一個私有方法。
接下來，我們輸出-setX:的實現。使用-methodForSelector:返回的是相同的值。因為-setX:已經在子類被重寫了，這也就意味著methodForSelector:在內部實現中使用了-class，於是得到了錯誤的結果。
最後我們通過執行時得到了不同的輸出結果。
作為一個優秀的探索者，我們進入debugger來看看這第二個方法的實現到底是怎樣的：
(gdb) print (IMP)0x96a1a550 
$1 = (IMP) 0x96a1a550 <_NSSetIntValueAndNotify> 
看起來是一個內部方法，對Foundation使用nm -a得到一個完整的私有方法列表：
0013df80 t __NSSetBoolValueAndNotify 
000a0480 t __NSSetCharValueAndNotify 
0013e120 t __NSSetDoubleValueAndNotify 
0013e1f0 t __NSSetFloatValueAndNotify 
000e3550 t __NSSetIntValueAndNotify 
0013e390 t __NSSetLongLongValueAndNotify 
0013e2c0 t __NSSetLongValueAndNotify 
00089df0 t __NSSetObjectValueAndNotify 
0013e6f0 t __NSSetPointValueAndNotify 
0013e7d0 t __NSSetRangeValueAndNotify 
0013e8b0 t __NSSetRectValueAndNotify 
0013e550 t __NSSetShortValueAndNotify 
0008ab20 t __NSSetSizeValueAndNotify 
0013e050 t __NSSetUnsignedCharValueAndNotify 
0009fcd0 t __NSSetUnsignedIntValueAndNotify 
0013e470 t __NSSetUnsignedLongLongValueAndNotify 
0009fc00 t __NSSetUnsignedLongValueAndNotify 
0013e620 t __NSSetUnsignedShortValueAndNotify 
這個列表也能發現一些有趣的東西。比如蘋果為每一種primitive type都寫了對應的實現。Objective-C的object會用到的其實只有__NSSetObjectValueAndNotify，但需要一整套來對應剩下的，而且看起來也沒有實現完全，比如long dobule或_Bool都沒有。甚至沒有為通用指標型別(generic pointer type)提供方法。所以，不在這個方法列表裡的屬性其實是不支援KVO的。
KVO是一個很強大的工具，有時候過於強大了，尤其是有了自動觸發通知機制。現在你知道它內部是怎麼實現的了，這些知識或許能幫助你更好地使用它，或在它出錯時更方便除錯。

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