[深入淺出Cocoa]詳解鍵值觀察（KVO）及其實現(xiàn)機(jī)理
羅朝輝 (http://www.cppblog.com/kesalin/)
本文遵循“署名-非商業(yè)用途-保持一致”創(chuàng)作公用協(xié)議

一质涛，前言
Objective-C 中的鍵(key)-值(value)觀察(KVO)并不是什么新鮮事物皱蹦，它來源于設(shè)計模式中的觀察者模式，其基本思想就是：
一個目標(biāo)對象管理所有依賴于它的觀察者對象诀紊，并在它自身的狀態(tài)改變時主動通知觀察者對象谒出。這個主動通知通常是通過調(diào)用各觀察者對象所提供的接口方法來實現(xiàn)的。觀察者模式較完美地將目標(biāo)對象與觀察者對象解耦邻奠。

在 Objective-C 中有兩種使用鍵值觀察的方式：手動或自動笤喳，此外還支持注冊依賴鍵（即一個鍵依賴于其他鍵，其他鍵的變化也會作用到該鍵）碌宴。下面將一一講述這些杀狡，并會深入 Objective-C 內(nèi)部一窺鍵值觀察是如何實現(xiàn)的。
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二贰镣，運用鍵值觀察
1呜象，注冊與解除注冊
如果我們已經(jīng)有了包含可供鍵值觀察屬性的類，那么就可以通過在該類的對象（被觀察對象）上調(diào)用名為 NSKeyValueObserver**Registration 的 **category 方法將觀察者對象與被觀察者對象注冊與解除注冊：

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

這兩個方法的定義在 Foundation/NSKeyValueObserving.h 中碑隆，NSObject董朝，NSArray，NSSet均實現(xiàn)了以上方法干跛，因此我們不僅可以觀察普通對象，還可以觀察數(shù)組或結(jié)合類對象祟绊。在該頭文件中楼入，我們還可以看到 NSObject 還實現(xiàn)了 NSKeyValueObserverNotification 的 category 方法（更多類似方法哥捕，請查看該頭文件）：

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

這兩個方法在手動實現(xiàn)鍵值觀察時會用到，暫且不提嘉熊。
值得注意的是：不要忘記解除注冊遥赚，否則會導(dǎo)致資源泄露。
2阐肤，設(shè)置屬性
將觀察者與被觀察者注冊好之后凫佛，就可以對觀察者對象的屬性進(jìn)行操作，這些變更操作就會被通知給觀察者對象孕惜。注意愧薛，只有遵循 KVO 方式來設(shè)置屬性，觀察者對象才會獲取通知衫画，也就是說遵循使用屬性的 setter 方法毫炉，或通過 key-path 來設(shè)置：
[target setAge:30]; [target setValue:[NSNumber numberWithInt:30] forKey:@"age"];

3，處理變更通知
觀察者需要實現(xiàn)名為 NSKeyValueObserving 的 category 方法來處理收到的變更通知：

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

在這里削罩，change 這個字典保存了變更信息瞄勾，具體是哪些信息取決于注冊時的 NSKeyValueObservingOptions。
4弥激，下面來看看一個完整的使用示例：
觀察者類：
// Observer.h@interface Observer : NSObject@end// Observer.m#import "Observer.h"#import <objc/runtime.h>#import "Target.h"@implementation Observer- (void) observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{ if ([keyPath isEqualToString:@"age"]) { Class classInfo = (Class)context; NSString * className = [NSString stringWithCString:object_getClassName(classInfo) encoding:NSUTF8StringEncoding]; NSLog(@" >> class: %@, Age changed", className); NSLog(@" old age is %@", [change objectForKey:@"old"]); NSLog(@" new age is %@", [change objectForKey:@"new"]); } else { [super observeValueForKeyPath:keyPath ofObject:object change:change context:context]; }}@end

注意：在實現(xiàn)處理變更通知方法 observeValueForKeyPath 時进陡，要將不能處理的 key 轉(zhuǎn)發(fā)給 super 的 observeValueForKeyPath 來處理。
使用示例：
Observer * observer = [[[Observer alloc] init] autorelease];Target * target = [[[Target alloc] init] autorelease];[target addObserver:observer forKeyPath:@"age" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:[Target class]];[target setAge:30];//[target setValue:[NSNumber numberWithInt:30] forKey:@"age"];[target removeObserver:observer forKeyPath:@"age"];

在這里 observer 觀察 target 的 age 屬性變化微服，運行結(jié)果如下：

class: Target, Age changed
old age is 10
new age is 30

三趾疚，手動實現(xiàn)鍵值觀察
上面的 Target 應(yīng)該怎么實現(xiàn)呢？首先來看手動實現(xiàn)职辨。
@interface Target : NSObject{ int age;}// for manual KVO - age- (int) age;- (void) setAge:(int)theAge;@end@implementation Target- (id) init{ self = [super init]; if (nil != self) { age = 10; } return self;}// for manual KVO - age- (int) age{ return age;}- (void) setAge:(int)theAge{ [self willChangeValueForKey:@"age"]; age = theAge; [self didChangeValueForKey:@"age"];}+ (BOOL) automaticallyNotifiesObserversForKey:(NSString *)key { if ([key isEqualToString:@"age"]) { return NO; } return [super automaticallyNotifiesObserversForKey:key];}@end

首先盗蟆，需要手動實現(xiàn)屬性的 setter 方法，并在設(shè)置操作的前后分別調(diào)用 **willChangeValueForKey: **和 didChangeValueForKey方法舒裤，這兩個方法用于通知系統(tǒng)該 key 的屬性值即將和已經(jīng)變更了喳资；
其次，要實現(xiàn)類方法 automaticallyNotifiesObserversForKey腾供，并在其中設(shè)置對該 key 不自動發(fā)送通知（返回 NO 即可）仆邓。這里要注意，對其它非手動實現(xiàn)的 key伴鳖，要轉(zhuǎn)交給 super 來處理节值。

四，自動實現(xiàn)鍵值觀察
自動實現(xiàn)鍵值觀察就非常簡單了榜聂，只要使用了屬性即可搞疗。
@interface Target : NSObject// for automatic KVO - age@property (nonatomic, readwrite) int age;@end@implementation Target@synthesize age; // for automatic KVO - age- (id) init{ self = [super init]; if (nil != self) { age = 10; } return self;}@end

五，鍵值觀察依賴鍵
有時候一個屬性的值依賴于另一對象中的一個或多個屬性须肆，如果這些屬性中任一屬性的值發(fā)生變更匿乃，被依賴的屬性值也應(yīng)當(dāng)為其變更進(jìn)行標(biāo)記桩皿。因此，object 引入了依賴鍵幢炸。
1泄隔，觀察依賴鍵
觀察依賴鍵的方式與前面描述的一樣，下面先在 Observer 的 observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: 中添加處理變更通知的代碼：

import "TargetWrapper.h"- (void) observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context{ if ([keyPath isEqualToString:@"age"]) { Class classInfo = (Class)context; NSString * className = [NSString stringWithCString:object_getClassName(classInfo) encoding:NSUTF8StringEncoding]; NSLog(@" >> class: %@, Age changed", className); NSLog(@" old age is %@", [change objectForKey:@"old"]); NSLog(@" new age is %@", [change objectForKey:@"new"]); } else if ([keyPath isEqualToString:@"information"]) { Class classInfo = (Class)context; NSString * className = [NSString stringWithCString:object_getClassName(classInfo) encoding:NSUTF8StringEncoding]; NSLog(@" >> class: %@, Information changed", className); NSLog(@" old information is %@", [change objectForKey:@"old"]); NSLog(@" new information is %@", [change objectForKey:@"new"]); } else { [super observeValueForKeyPath:keyPath ofObject:object change:change context:context]; }}

2宛徊，實現(xiàn)依賴鍵
在這里佛嬉，觀察的是 TargetWrapper 類的 information 屬性，該屬性是依賴于 Target 類的 age 和 grade 屬性闸天。為此暖呕，我在 Target 中添加了 grade 屬性：
@interface Target : NSObject@property (nonatomic, readwrite) int grade;@property (nonatomic, readwrite) int age;@end@implementation Target@synthesize age; // for automatic KVO - age@synthesize grade;@end

下面來看看 TragetWrapper 中的依賴鍵屬性是如何實現(xiàn)的。
@class Target;@interface TargetWrapper : NSObject{@private Target * _target;}@property(nonatomic, assign) NSString * information;@property(nonatomic, retain) Target * target;-(id) init:(Target *)aTarget;@end#import "TargetWrapper.h"#import "Target.h"@implementation TargetWrapper@synthesize target = _target;-(id) init:(Target *)aTarget{ self = [super init]; if (nil != self) { _target = [aTarget retain]; } return self;}-(void) dealloc{ self.target = nil; [super dealloc];}- (NSString *)information{ return [[[NSString alloc] initWithFormat:@"%d#%d", [_target grade], [_target age]] autorelease];}- (void)setInformation:(NSString *)theInformation{ NSArray * array = [theInformation componentsSeparatedByString:@"#"]; [_target setGrade:[[array objectAtIndex:0] intValue]]; [_target setAge:[[array objectAtIndex:1] intValue]];}+ (NSSet *)keyPathsForValuesAffectingInformation{ NSSet * keyPaths = [NSSet setWithObjects:@"target.age", @"target.grade", nil]; return keyPaths;}//+ (NSSet *)keyPathsForValuesAffectingValueForKey:(NSString *)key//{// NSSet * keyPaths = [super keyPathsForValuesAffectingValueForKey:key];// NSArray * moreKeyPaths = nil;// // if ([key isEqualToString:@"information"])// {// moreKeyPaths = [NSArray arrayWithObjects:@"target.age", @"target.grade", nil];// }// // if (moreKeyPaths)// {// keyPaths = [keyPaths setByAddingObjectsFromArray:moreKeyPaths];// }// // return keyPaths;//}@end

首先号枕，要手動實現(xiàn)屬性 information 的 setter/getter 方法缰揪，在其中使用 Target 的屬性來完成其 setter 和 getter。
其次葱淳，要實現(xiàn) **keyPathsForValuesAffectingInformation ** 或 keyPathsForValuesAffectingValueForKey: 方法來告訴系統(tǒng) information 屬性依賴于哪些其他屬性钝腺，這兩個方法都返回一個key-path 的集合。在這里要多說幾句赞厕，如果選擇實現(xiàn) keyPathsForValuesAffectingValueForKey艳狐，要先獲取 super 返回的結(jié)果 set，然后判斷 key 是不是目標(biāo) key皿桑，如果是就將依賴屬性的 key-path 結(jié)合追加到 super 返回的結(jié)果 set 中毫目，否則直接返回 super的結(jié)果。
在這里诲侮，information 屬性依賴于 target 的 age 和 grade 屬性镀虐，target 的 age/grade 屬性任一發(fā)生變化，information 的觀察者都會得到通知沟绪。
3刮便，使用示例：
Observer * observer = [[[Observer alloc] init] autorelease];Target * target = [[[Target alloc] init] autorelease];TargetWrapper * wrapper = [[[TargetWrapper alloc] init:target] autorelease];[wrapper addObserver:observer forKeyPath:@"information" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:[TargetWrapper class]];[target setAge:30];[target setGrade:1];[wrapper removeObserver:observer forKeyPath:@"information"];

輸出結(jié)果：

class: TargetWrapper, Information changed
old information is 0#10
new information is 0#30
class: TargetWrapper, Information changed
old information is 0#30
new information is 1#30

六，鍵值觀察是如何實現(xiàn)的
1绽慈，實現(xiàn)機(jī)理
鍵值觀察用處很多恨旱，Core Binding 背后的實現(xiàn)就有它的身影，那鍵值觀察背后的實現(xiàn)又如何呢坝疼？想一想在上面的自動實現(xiàn)方式中搜贤，我們并不需要在被觀察對象 Target 中添加額外的代碼，就能獲得鍵值觀察的功能钝凶，這很好很強大仪芒，這是怎么做到的呢？答案就是 Objective C 強大的 runtime 動態(tài)能力，下面我們一起來窺探下其內(nèi)部實現(xiàn)過程桌硫。
當(dāng)某個類的對象第一次被觀察時夭咬，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 方法铆隘。
派生類在被重寫的 setter 方法實現(xiàn)真正的通知機(jī)制，就如前面手動實現(xiàn)鍵值觀察那樣南用。這么做是基于設(shè)置屬性會調(diào)用 setter 方法膀钠，而通過重寫就獲得了 KVO 需要的通知機(jī)制。當(dāng)然前提是要通過遵循 KVO 的屬性設(shè)置方式來變更屬性值裹虫，如果僅是直接修改屬性對應(yīng)的成員變量肿嘲，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筑公。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雳窟，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匣屡，從而激活鍵值通知機(jī)制封救。此外，派生類還重寫了 dealloc 方法來釋放資源捣作。
如果你對類和對象的關(guān)系不太明白誉结，請閱讀《深入淺出Cocoa之類與對象》；如果你對如何動態(tài)創(chuàng)建類不太明白券躁，請閱讀《深入淺出Cocoa 之動態(tài)創(chuàng)建類》惩坑。
蘋果官方文檔說得很簡潔：
Key-Value Observing Implementation Details
Automatic key-value observing is implemented using a technique called isa-swizzling.
The isa
pointer, as the name suggests, points to the object's class which maintains a dispatch table. This dispatch table essentially contains pointers to the methods the class implements, among other data.
When an observer is registered for an attribute of an object the isa pointer of the observed object is modified, pointing to an intermediate class rather than at the true class. As a result the value of the isa pointer does not necessarily reflect the actual class of the instance.
You should never rely on the isa
pointer to determine class membership. Instead, you should use the class
method to determine the class of an object instance.

2，代碼分析
由于派生類中被重寫的 class 對我們?nèi)鲋e（它說它就是起初的基類）也拜，我們只有通過調(diào)用 runtime 函數(shù)才能揭開派生類的真面目以舒。 下面來看 Mike Ash 的代碼：
首先是帶有 x, y, z 三個屬性的觀察目標(biāo) Foo：
@interface Foo : NSObject{ int x; int y; int z;}@property int x;@property int y;@property int z;@end@implementation Foo@synthesize x, y, z;@end

下面是檢驗代碼：

import <objc/runtime.h>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\t%@: %@\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:@", "]]; NSLog(@"%@", str);}int main (int argc, const char * argv[]){ @autoreleasepool { // Deep into KVO: kesalin@gmail.com // Foo * anything = [[Foo alloc] init]; Foo * x = [[Foo alloc] init]; Foo * y = [[Foo alloc] init]; Foo * xy = [[Foo alloc] init]; Foo * control = [[Foo alloc] init]; [x addObserver:anything forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; [y addObserver:anything forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; [xy addObserver:anything forKeyPath:@"x" options:0 context:NULL]; [xy addObserver:anything forKeyPath:@"y" options:0 context:NULL]; PrintDescription(@"control", control); PrintDescription(@"x", x); PrintDescription(@"y", y); PrintDescription(@"xy", xy); NSLog(@"\n\tUsing NSObject methods, normal setX: is %p, overridden setX: is %p\n", [control methodForSelector:@selector(setX:)], [x methodForSelector:@selector(setX:)]); NSLog(@"\n\tUsing 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;}

在上面的代碼中，輔助函數(shù) ClassMethodNames 使用 runtime 函數(shù)來獲取類的方法列表慢哈，PrintDescription 打印對象的信息蔓钟，包括通過 -class 獲取的類名， isa 指針指向的類的名字以及其中方法列表岸军。
在這里奋刽，我創(chuàng)建了四個對象，x 對象的 x 屬性被觀察艰赞，y 對象的 y 屬性被觀察佣谐，xy 對象的 x 和 y 屬性均被觀察，參照對象 control 沒有屬性被觀察方妖。在代碼的最后部分狭魂，分別通過兩種方式(對象方法和 runtime 方法)打印出參數(shù)對象 control 和被觀察對象 x 對象的 setX 方面的實現(xiàn)地址，來對比顯示正常情況下 setter 實現(xiàn)以及派生類中重寫的 setter 實現(xiàn)。
編譯運行雌澄，輸出如下：
control: <Foo: 0x10010c980>
NSObject class Foo
libobjc class Foo
implements methods <x, setX:, y, setY:, z, setZ:>
x: <Foo: 0x10010c920>
NSObject class Foo
libobjc class NSKVONotifying_Foo
implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA>
y: <Foo: 0x10010c940>
NSObject class Foo
libobjc class NSKVONotifying_Foo
implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA>
xy: <Foo: 0x10010c960>
NSObject class Foo
libobjc class NSKVONotifying_Foo
implements methods <setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA>
Using NSObject methods, normal setX: is 0x100001df0, overridden setX: is 0x100001df0
Using libobjc functions, normal setX: is 0x100001df0, overridden setX: is 0x7fff8458e025

從上面的輸出可以看到斋泄，如果使用對象的 -class 方面輸出類名始終為：Foo，這是因為新誕生的派生類重寫了 -class 方法聲稱它就是起初的基類镐牺，只有使用 runtime 函數(shù) object_getClass 才能一睹芳容：NSKVONotifying_Foo炫掐。注意看：x，y 以及 xy 三個被觀察對象真正的類型都是 NSKVONotifying_Foo睬涧，而且該類實現(xiàn)了：setY:, setX:, class, dealloc, _isKVOA 這些方法募胃。其中 setX:, setY:, class 和 dealloc 前面已經(jīng)講到過，私有方法 _isKVOA 估計是用來標(biāo)示該類是一個 KVO 機(jī)制聲稱的類畦浓。在這里 Objective C 做了一些優(yōu)化痹束，它對所有被觀察對象只生成一個派生類，該派生類實現(xiàn)所有被觀察對象的 setter 方法讶请，這樣就減少了派生類的數(shù)量祷嘶，提供了效率。所有 NSKVONotifying_Foo 這個派生類重寫了 setX夺溢，setY方法（留意:沒有必要重寫 setZ 方法）论巍。
接著來看最后兩行輸出，地址 0x100001df0 是 Foo 類中的實現(xiàn)企垦，而地址是 0x7fff8458e025 是派生類 NSKVONotifying_Foo 類中的實現(xiàn)环壤。那后面那個地址到底是什么呢？可以通過 GDB 的 info 命令加 symbol 參數(shù)來查看該地址的信息：
(gdb) info symbol 0x7fff8458e025
_NSSetIntValueAndNotify in section LC_SEGMENT.__TEXT.__text of /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Versions/C/Foundation

看起來它是 Foundation 框架提供的私有函數(shù)：_NSSetIntValueAndNotify钞诡。更進(jìn)一步郑现，我們來看看 Foundation 到底提供了哪些用于 KVO 的輔助函數(shù)。打開 terminal荧降，使用 nm -a 命令查看 Foundation 中的信息：
nm -a /System/Library/Frameworks/Foundation.framework/Versions/C/Foundation

其中查找到我們關(guān)注的函數(shù)：
00000000000233e7 t __NSSetDoubleValueAndNotify00000000000f32ba t __NSSetFloatValueAndNotify0000000000025025 t __NSSetIntValueAndNotify000000000007fbb5 t __NSSetLongLongValueAndNotify00000000000f33e8 t __NSSetLongValueAndNotify000000000002d36c t __NSSetObjectValueAndNotify0000000000024dc5 t __NSSetPointValueAndNotify00000000000f39ba t __NSSetRangeValueAndNotify00000000000f3aeb t __NSSetRectValueAndNotify00000000000f3512 t __NSSetShortValueAndNotify00000000000f3c2f t __NSSetSizeValueAndNotify00000000000f363b t __NSSetUnsignedCharValueAndNotify000000000006e91f t __NSSetUnsignedIntValueAndNotify0000000000034b5b t __NSSetUnsignedLongLongValueAndNotify00000000000f3766 t __NSSetUnsignedLongValueAndNotify00000000000f3890 t __NSSetUnsignedShortValueAndNotify00000000000f3060 t __NSSetValueAndNotifyForKeyInIvar00000000000f30d7 t __NSSetValueAndNotifyForUndefinedKey

Foundation 提供了大部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的輔助函數(shù)（Objective C中的 Boolean 只是 unsigned char 的 typedef接箫，所以包括了，但沒有 C++中的 bool）朵诫，此外還包括一些常見的 Cocoa 結(jié)構(gòu)體如 Point, Range, Rect, Size辛友，這表明這些結(jié)構(gòu)體也可以用于自動鍵值觀察，但要注意除此之外的結(jié)構(gòu)體就不能用于自動鍵值觀察了剪返。對于所有 Objective C 對象對應(yīng)的是 __NSSetObjectValueAndNotify 方法废累。

七，總結(jié)
KVO 并不是什么新事物脱盲，換湯不換藥邑滨，它只是觀察者模式在 Objective C 中的一種運用，這是 KVO 的指導(dǎo)思想所在钱反。其他語言實現(xiàn)中也有“KVO”掖看，如 WPF 中的 binding匣距。而在 Objective C 中又是通過強大的 runtime 來實現(xiàn)自動鍵值觀察的。至此哎壳，對 KVO 的使用以及注意事項毅待，內(nèi)部實現(xiàn)都介紹完畢，對 KVO 的理解又深入一層了归榕。Objective 中的 KVO 雖然可以用尸红，但卻非完美，有興趣的了解朋友請查看《KVO 的缺陷》 以及改良實現(xiàn) MAKVONotificationCenter 蹲坷。

八驶乾，引用
Key-value observing：官方文檔
Key-Value Observing Done Right : 官方 KVO 實現(xiàn)的缺陷
MAKVONotificationCenter : 一個改良的 Notification 實現(xiàn)，托管在 GitHub 上
Friday Q&A 2009-01-23
深入淺出Cocoa之類與對象深入淺出Cocoa 之動態(tài)創(chuàng)建類