(轉(zhuǎn))KVC, KVO實現(xiàn)原理剖析

作者：wangzz
原文地址：http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/9674431

前言：
1、本文基本不講KVC/KVO的用法，只結(jié)合網(wǎng)上的資料說說對這種技術(shù)的理解。
2、由于KVO內(nèi)容較少，而且是以KVC為基礎實現(xiàn)的，本文將著重介紹KVC部分。
一、簡介
KVC/KVO是觀察者模式的一種實現(xiàn)，在Cocoa中是以被萬物之源NSObject類實現(xiàn)的NSKeyValueCoding/NSKeyValueObserving非正式協(xié)議的形式被定義為基礎框架的一部分。從協(xié)議的角度來說，KVC/KVO本質(zhì)上是定義了一套讓我們?nèi)プ袷睾蛯崿F(xiàn)的方法。
當然，KVC/KVO實現(xiàn)的根本是Objective-C的動態(tài)性和runtime，這在后文的原理部分會有詳述。
另外，KVC/KVO機制離不開訪問器方法的實現(xiàn)，這在后文中也有解釋。
1、KVC簡介
全稱是Key-value coding，翻譯成鍵值編碼。顧名思義，在某種程度上跟map的關(guān)系匪淺。它提供了一種使用字符串而不是訪問器方法去訪問一個對象實例變量的機制。
2、KVO簡介
全稱是Key-value observing，翻譯成鍵值觀察。提供了一種當其它對象屬性被修改的時候能通知當前對象的機制。再MVC大行其道的Cocoa中，KVO機制很適合實現(xiàn)model和controller類之間的通訊。
二、KVC相關(guān)技術(shù)
1、Key和Key Path
KVC定義了一種按名稱訪問對象屬性的機制，支持這種訪問的主要方法是：
[java] view plain copy

  • (id)valueForKey:(NSString *)key;
  • (void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;
  • (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;
  • (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;

前邊兩個方法用到的Key較容易理解，就是要訪問的屬性名稱對應的字符串。
后面兩個方法用到的KeyPath是一個被點操作符隔開的用于訪問對象的指定屬性的字符串序列。比如KeyPath address.street將會訪問消息接收對象所包含的address屬性中包含的一個street屬性。其實KeyPath說白了就是我們平時使用點操作訪問某個對象的屬性時所寫的那個字符串。
2、點語法和KVC
在實現(xiàn)了訪問器方法的類中，使用點語法和KVC訪問對象其實差別不大，二者可以任意混用。但是沒有訪問起方法的類中，點語法無法使用，這時KVC就有優(yōu)勢了。（原因見第三部分的第一節(jié)：KVC如何訪問屬性值。）
3、一對多關(guān)系（To-Many）中的集合訪問器方法
我們平時大部分使用的屬性都是一對一關(guān)系（To-One）,比如Person類中的name屬性，每個人只有一個名字。但也有一對多的關(guān)系，比如Person中有一個friendsName屬性，這是個集合（在Objective-C中可以是NSArray，NSSet等），保存的是一個人的所有朋友的名字。
當操作一對多的屬性中的內(nèi)容時，我們有兩種選擇：
①間接操作
先通過KVC方法取到集合屬性，然后通過集合屬性操作集合中的元素。
②直接操作
蘋果為我們提供了一些方法模板，我們可以以規(guī)定的格式實現(xiàn)這些方法來達到訪問集合屬性中元素的目的。
有序集合對應方法如下：
[java] view plain copy

-countOf<Key>
//必須實現(xiàn)，對應于NSArray的基本方法count:
-objectIn<Key>AtIndex:
-<key>AtIndexes:
//這兩個必須實現(xiàn)一個，對應于 NSArray 的方法 objectAtIndex: 和 objectsAtIndexes:
-get<Key>:range:
//不是必須實現(xiàn)的，但實現(xiàn)后可以提高性能，其對應于 NSArray 方法 getObjects:range:

-insertObject:in<Key>AtIndex:
-insert<Key>:atIndexes:
//兩個必須實現(xiàn)一個，類似于 NSMutableArray 的方法 insertObject:atIndex: 和 insertObjects:atIndexes:
-removeObjectFrom<Key>AtIndex:
-remove<Key>AtIndexes:
//兩個必須實現(xiàn)一個，類似于 NSMutableArray 的方法 removeObjectAtIndex: 和 removeObjectsAtIndexes:
-replaceObjectIn<Key>AtIndex:withObject:
-replace<Key>AtIndexes:with<Key>:
//可選的，如果在此類操作上有性能問題，就需要考慮實現(xiàn)之

無序集合對應方法如下：
[java] view plain copy

-countOf<Key>
//必須實現(xiàn)，對應于NSArray的基本方法count:
-objectIn<Key>AtIndex:
-<key>AtIndexes:
//這兩個必須實現(xiàn)一個，對應于 NSArray 的方法 objectAtIndex: 和 objectsAtIndexes:
-get<Key>:range:
//不是必須實現(xiàn)的，但實現(xiàn)后可以提高性能，其對應于 NSArray 方法 getObjects:range:

-insertObject:in<Key>AtIndex:
-insert<Key>:atIndexes:
//兩個必須實現(xiàn)一個，類似于 NSMutableArray 的方法 insertObject:atIndex: 和 insertObjects:atIndexes:
-removeObjectFrom<Key>AtIndex:
-remove<Key>AtIndexes:
//兩個必須實現(xiàn)一個，類似于 NSMutableArray 的方法 removeObjectAtIndex: 和 removeObjectsAtIndexes:
-replaceObjectIn<Key>AtIndex:withObject:
-replace<Key>AtIndexes:with<Key>:
//這兩個都是可選的，如果在此類操作上有性能問題，就需要考慮實現(xiàn)之

不過這些方法除非是很有需求，否則個人認為沒有實現(xiàn)的必要，間接法也不是很麻煩，基本能滿足需求了。值得指出的是，蘋果甚至都沒有讓這些方法以哪怕是非正式協(xié)議的形式出現(xiàn)，而只是在編程指南中提了一下。
4、鍵值驗證（Key-Value Validation）
KVC提供了驗證Key對應的Value是否可用的方法：
[java] view plain copy

  • (BOOL)validateValue:(inout id *)ioValue forKey:(NSString *)inKey error:(out NSError **)outError;

該方法默認的實現(xiàn)是調(diào)用一個如下格式的方法：
[java] view plain copy

  • (BOOL)validate<Key>:error:

比如屬性name對應的方法為：
[java] view plain copy

-(BOOL)validateName:(id *)ioValue error:(NSError * __autoreleasing *)outError {
// Implementation specific code.
return ...;
}

這樣就給了我們一次糾錯的機會。
需要指出的是，KVC是不會自動調(diào)用鍵值驗證方法的，就是說我們需要手動驗證。但是有些技術(shù)，比如CoreData會自動調(diào)用。
5、KVC對數(shù)值和結(jié)構(gòu)體型屬性的支持
一套機制如果不支持數(shù)值和結(jié)構(gòu)體型的數(shù)據(jù)，那么它的實用性就會大大折扣。幸運的是KVC中蘋果對這方面的支持做的很好。KVC可以自動的將數(shù)值或結(jié)構(gòu)體型的數(shù)據(jù)打包或解包成NSNumber或NSValue對象，以達到適配的目的。
舉個例子，Person類有個個NSInteger類型的age屬性
①修改值
我們通過KVC技術(shù)使用如下方式設置age屬性的值：
[java] view plain copy

[person setValue:[NSNumber numberWithInteger:5] forKey:@"age"];

我們賦給age的是一個NSNumber對象，KVC會自動的將NSNumber對象轉(zhuǎn)換成NSInteger對象，然后再調(diào)用相應的訪問器方法設置age的值。
②獲取值
同樣，以如下方式獲取age屬性值：
[java] view plain copy

[person valueForKey:@"age"];

這時，會以NSNumber的形式返回age的值。
需要說明的是，什么時候返回的是NSNumber，什么時候返回的是NSValue？
③使用NSNumber封裝
可以使用NSNumber的數(shù)據(jù)類型有：
[java] view plain copy

  • (NSNumber *)numberWithChar:(char)value;
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedChar:(unsigned char)value;
  • (NSNumber *)numberWithShort:(short)value;
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedShort:(unsigned short)value;
  • (NSNumber *)numberWithInt:(int)value;
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedInt:(unsigned int)value;
  • (NSNumber *)numberWithLong:(long)value;
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedLong:(unsigned long)value;
  • (NSNumber *)numberWithLongLong:(long long)value;
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedLongLong:(unsigned long long)value;
  • (NSNumber *)numberWithFloat:(float)value;
  • (NSNumber *)numberWithDouble:(double)value;
  • (NSNumber *)numberWithBool:(BOOL)value;
  • (NSNumber *)numberWithInteger:(NSInteger)value NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
  • (NSNumber *)numberWithUnsignedInteger:(NSUInteger)value NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

總之就是一些常見的數(shù)值型數(shù)據(jù)。
④使用NSValue封裝
NSValue主要用于處理結(jié)構(gòu)體型的數(shù)據(jù)，它本身提供了如下集中結(jié)構(gòu)的支持：
[java] view plain copy

  • (NSValue *)valueWithCGPoint:(CGPoint)point;
  • (NSValue *)valueWithCGSize:(CGSize)size;
  • (NSValue *)valueWithCGRect:(CGRect)rect;
  • (NSValue *)valueWithCGAffineTransform:(CGAffineTransform)transform;
  • (NSValue *)valueWithUIEdgeInsets:(UIEdgeInsets)insets;
  • (NSValue *)valueWithUIOffset:(UIOffset)insets NS_AVAILABLE_IOS(5_0);

只有有限的6種而已！那對于其它自定義的結(jié)構(gòu)體怎么辦？別擔心，任何結(jié)構(gòu)體都是可以轉(zhuǎn)化成NSValue對象的，具體實現(xiàn)方法參見我之前的一篇文章：
http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/8614433
6、集合運算符（Collection Operators）
集合運算符是一個特殊的Key Path，可以作為參數(shù)傳遞給valueForKeyPath：方法，注意只能是這個方法，如果傳給了valueForKey:方法保證你程序崩潰。
運算符是一個以@開頭的特殊字符串，格式如下圖所示：


①簡單集合運算符
簡單集合運算符共有@avg，@count，@max，@min，@sum5種，都表示啥不用我說了吧，目前還不支持自定義。
有一個集合類的對象：transactions，它存儲了一個個的Transaction類的實例，該類有三個屬性：payee，amount，date。下面以此為例說明如何使用這些運算符：
要獲取amount的平均值可以這樣：
[java] view plain copy

NSNumber *transactionAverage = [transactions valueForKeyPath:@"@avg.amount"];

要獲取transactions集合中元素數(shù)目可以這樣：
[java] view plain copy

NSNumber *numberOfTransactions = [transactions valueForKeyPath:@"@count"];

需要之處的是，@count是這些集合運算符中比較特殊的一個，因為它沒有右路經(jīng)，原因很容易理解。
②對象運算符
比集合運算符稍微復雜，能以數(shù)組的方式返回指定的內(nèi)容，一共有兩種：
[java] view plain copy

@distinctUnionOfObjects
@unionOfObjects

它們的返回值都是NSArray，區(qū)別是前者返回的元素都是唯一的，是去重以后的結(jié)果；后者返回的元素是全集。
用法如下：
[java] view plain copy

NSArray *payees = [transactions valueForKeyPath:@"@distinctUnionOfObjects.payee"];
NSArray *payees = [transactions valueForKeyPath:@"@unionOfObjects.payee"];

前者會將收款人的姓名去除重復的以后返回，后者直接返回所有收款人的姓名。
③Array和Set操作符
這種情況更復雜了，說的是集合中包含集合的情況，我們執(zhí)行了如下的一段代碼：
[java] view plain copy

// Create the array that contains additional arrays.
self.arrayOfTransactionsArray = [NSMutableArray array];

// Add the array of objects used in the above examples.
[arrayOfTransactionsArray addObject:transactions];

// Add a second array of objects; this array contains alternate values.
[arrayOfTransactionsArrays addObject:moreTransactions];

得到了一個包含集合的集合：arrayOfTransactionsArray
這時如果我們想操作arrayOfTransactionsArray中包含的集合中的元素時，可以使用如下三個運算符：
[java] view plain copy

@distinctUnionOfArrays
@unionOfArrays
@distinctUnionOfSets

前兩個針對的集合是Arrays，后一個針對的集合是Sets。因為Sets中的元素本身就是唯一的，所以沒有對應的@unionOfSets運算符。

它們的用法舉例如下：
[java] view plain copy

NSArray *payees = [arrayOfTransactionsArrays valueForKeyPath:@"@unionOfArrays.payee"];

三、實現(xiàn)原理
1、KVC如何訪問屬性值
KVC再某種程度上提供了訪問器的替代方案。不過訪問器方法是一個很好的東西，以至于只要是有可能，KVC也盡量再訪問器方法的幫助下工作。為了設置或者返回對象屬性，KVC按順序使用如下技術(shù)：
①檢查是否存在-<key>、-is<key>（只針對布爾值有效）或者-get<key>的訪問器方法，如果有可能，就是用這些方法返回值；
檢查是否存在名為-set<key>:的方法，并使用它做設置值。對于-get<key>和-set<key>:方法，將大寫Key字符串的第一個字母，并與Cocoa的方法命名保持一致；
②如果上述方法不可用，則檢查名為-_<key>、-_is<key>（只針對布爾值有效）、-_get<key>和-set<key>:方法；
③如果沒有找到訪問器方法，可以嘗試直接訪問實例變量。實例變量可以是名為：<key>或<key>;
④如果仍為找到，則調(diào)用valueForUndefinedKey:和setValue:forUndefinedKey:方法。這些方法的默認實現(xiàn)都是拋出異常，我們可以根據(jù)需要重寫它們。
2、KVC/KVO實現(xiàn)原理
鍵值編碼和鍵值觀察是根據(jù)isa-swizzling技術(shù)來實現(xiàn)的，主要依據(jù)runtime的強大動態(tài)能力。下面的這段話是引自網(wǎng)上的一篇文章：
http://blog.csdn.net/kesalin/article/details/8194240
當某個類的對象第一次被觀察時，系統(tǒng)就會在運行期動態(tài)地創(chuàng)建該類的一個派生類，在這個派生類中重寫基類中任何被觀察屬性的 setter 方法。派生類在被重寫的 setter 方法實現(xiàn)真正的通知機制，就如前面手動實現(xiàn)鍵值觀察那樣。這么做是基于設置屬性會調(diào)用 setter 方法，而通過重寫就獲得了 KVO 需要的通知機制。當然前提是要通過遵循 KVO 的屬性設置方式來變更屬性值，如果僅是直接修改屬性對應的成員變量，是無法實現(xiàn) KVO 的。同時派生類還重寫了 class 方法以“欺騙”外部調(diào)用者它就是起初的那個類。然后系統(tǒng)將這個對象的 isa 指針指向這個新誕生的派生類，因此這個對象就成為該派生類的對象了，因而在該對象上對 setter 的調(diào)用就會調(diào)用重寫的 setter，從而激活鍵值通知機制。此外，派生類還重寫了 dealloc 方法來釋放資源。
原文寫的很好，還舉了解釋性的例子，大家可以去看看。
在我之前的一篇介紹Objective-C類和元類的文章：
http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/8592492
中介紹過，isa指針指向的其實是類的元類，如果之前的類名為：Person，那么被runtime更改以后的類名會變成：NSKVONotifying_Person。
新的NSKVONotifying_Person類會重寫以下方法：
增加了監(jiān)聽的屬性對應的set方法，class，dealloc，_isKVOA。
①class
重寫class方法是為了我們調(diào)用它的時候返回跟重寫繼承類之前同樣的內(nèi)容。
打印如下內(nèi)容：
[java] view plain copy

NSLog(@"self->isa:%@",self->isa);
NSLog(@"self class:%@",[self class]);

在建立KVO監(jiān)聽前，打印結(jié)果為：
[java] view plain copy

self->isa:Person
self class:Person

在建立KVO監(jiān)聽之后，打印結(jié)果為：
[java] view plain copy

self->isa:NSKVONotifying_Person
self class:Person

這也是isa指針和class方法的一個區(qū)別，大家使用的時候注意。
②重寫set方法
新類會重寫對應的set方法，是為了在set方法中增加另外兩個方法的調(diào)用：
[java] view plain copy

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

其中，didChangeValueForKey:方法負責調(diào)用：
[java] view plain copy

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

方法，這就是KVO實現(xiàn)的原理了！
如果沒有任何的訪問器方法，-setValue:forKey方法會直接調(diào)用：
[java] view plain copy

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

如果在沒有使用鍵值編碼且沒有使用適當命名的訪問起方法的時候，我們只需要顯示調(diào)用上述兩個方法，同樣可以使用KVO！
總結(jié)一下，想使用KVO有三種方法：
1)使用了KVC
使用了KVC，如果有訪問器方法，則運行時會在訪問器方法中調(diào)用will/didChangeValueForKey:方法；
沒用訪問器方法，運行時會在setValue:forKey方法中調(diào)用will/didChangeValueForKey:方法。
2)有訪問器方法
運行時會重寫訪問器方法調(diào)用will/didChangeValueForKey:方法。
因此，直接調(diào)用訪問器方法改變屬性值時，KVO也能監(jiān)聽到。
3)顯示調(diào)用will/didChangeValueForKey:方法。
總之，想使用KVO，只要有will/didChangeValueForKey:方法就可以了。
③_isKVOA
這個私有方法估計是用來標示該類是一個 KVO 機制聲稱的類。
四、優(yōu)點和缺點
1、優(yōu)點
①可以再很大程度上簡化代碼
例子網(wǎng)上很多，這就不舉了
②能跟腳本語言很好的配合
才疏學淺，沒學過AppleScript等腳本語言，所以沒能深刻體會到該優(yōu)點。
2、缺點
KVC的缺點不明顯，主要是KVO的，詳情可以參考這篇文章：
http://www.mikeash.com/pyblog/key-value-observing-done-right.html
核心思想是說KVO的回調(diào)機制，不能傳一個selector或者block作為回調(diào)，而必須重寫-addObserver:forKeyPath:options:context:方法所引發(fā)的一系列問題。問了解決這個問題，作者還親自實現(xiàn)了一個MAKVONotificationCenter類，代碼見github:
https://github.com/mikeash/MAKVONotificationCenter
不過個人認為這只是蘋果做的KVO不夠完美，不能算是缺陷。

參考文檔：
http://developer.apple.com/library/ios/#documentation/cocoa/conceptual/KeyValueCoding/Articles/KeyValueCoding.html#//apple_ref/doc/uid/10000107-SW1
http://blog.csdn.net/kesalin/article/details/8194240

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