KVO漫谈

本文讨论了 KVO 若干有趣的特性,并将 KVO 与其他通信方式进行了比较,最后深入分析了 KVO 内部实现机制。

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Overview


KVO(Key-Value Observing)对于 iOS 开发者来说应该并不陌生。通过 KVO 机制,当被观察对象的属性值发现变化时观察者能接到相应的通知。为了能接收到正确的 KVO 消息,需要满足以下三点:

  • 被观察对象的相应属性必须是 KVO 兼容;
  • 通过addObserver:forKeyPath:options:context:方法注册观察者;
  • 观察者必须实现observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法。

那么何为 KVO 兼容的属性?
同样需要满足三点:

  • 相应属性需要是 KVC 兼容;
  • 相应属性值改变时需要触发 KVO 消息;
  • 相关的dependent keys设置正确。

其中,对于 KVC 兼容的属性,NSObject 已支持在属性值变化时自动发送 KVO 消息。当然也可以禁止 NSObject 的该功能,改为由手动实现,此时,只需重载automaticallyNotifiesObserversForKey:方法,对于需要禁止 KVO 的 key 返回 NO 即可。

关于 KVO 有几个点值得一提:

  • Dependent Keys:
    在 KVO 所有特性中,最让我心动的莫过于依赖键(Dependent Keys),简单地说就是某个属性值可以依赖于其他若干个属性,当任何被依赖的属性值改变时,依赖属性就会触发 KVO 消息。对于To-one Relationships,可以通过keyPathsForValuesAffectingValueForKey:keyPathsForValuesAffecting<Key>方法注册依赖键。

  • NSKeyValueObservingOptionInitial:
    我们知道 KVO 的触发时机是被观察的属性值发生变化时,但有时可能需要在初始化时就能通过 KVO 获取被观察属性的值,此时就可以在注册观察者时添加NSKeyValueObservingOptionInitial选项。通过该选项,在调用addObserver:forKeyPath:options:context:方法时会同步触发 KVO 消息。

  • NSKeyValueObservingOptionPrior:
    正常情况下,是在被观察属性的值改变后通过didChangeValueForKey:方法触发 KVO 消息。若在注册观察者时添加NSKeyValueObservingOptionPrior选项,则在属性值改变前,即在willChangeValueForKey:方法中也会触发一次 KVO 消息。此时,被观察属性值的改变会触发两次 KVO 消息,可以通过change中的NSKeyValueChangeNotificationIsPriorKey进行区分。

  • KVO 消息的同步性:
    首先,KVO 消息的处理与被观察属性值的改变发生在同一线程上,因此observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法可能会在不同的线程上执行,需要考虑线程安全问题。其次KVO 消息与被观察属性值的改变是同步的,也就是在被观察属性值的setter方法返回前所有的 KVO 消息都已处理完成。

由于本文的定位不是 KVO 教程,关于KVOKVC,Apple 官方有详细的描述,在此不再赘述。

KVO、Notification、delegate、block


KVO、NSNotfication、delegate、block这四种方式都可以用于对象间的通信。
KVO 与 NSNotification 有很多相似之处,都是一对多的、单向的通信方式,通过它们可以使得模块间较好的解耦。同时它们也有许多相似的缺点。
delegate、block 则是一对一的、『半双向』的通信方式。之所以说是『半双向』是因为它们可以有返回值。

这是斯坦福大学 iOS 开发公开课里关于讲解 MVC 的一页 PPT,很好地总结了 M、V、C 间通信的规则与方式:

  • Model 与 View 间不允许直接通信;
  • Controller 作为控制中枢,一般持有 Model 与 View 的 object,能直接与它们通信;
  • View 可以通过 delegate 与 Controller 通信以及通过将 Controller 设置为 target 响应来自 View 的事件;
  • Model 可以通过 KVO 或 Notification向 Controller 发送消息。

可以看到,为了充分解耦,Model 与 Controller 间的通信有严格的限制,必须是单向的。
由于 View 与 Controller 严格要求是一对一的,两者的关系也更加紧密,故其间的通信 delegate 更加适合。

个人认为,从设计的角度出发,KVO 与 Notification 没有本质的区别。但前面提到 KVO 有个很棒的特性:Dependent Keys。有时,通过 KVO 的Dependent Keys特性能写出很漂亮的代码。

比如:界面中某个元素 V 的显示依赖于 Model 中 A、B、C、D 四个属性值,当其中任意属性值发生改变时,界面元素 V 的状态都需要变化。
如果,此时选用 Notification 的方式由 Modle 通知 Controller 刷新 UI,需要在A、B、C、D 四个属性值发生变化的地方都抛出 Notification,同时需要将4个属性值通过消息传递给 Controller 以便计算 V 的新状态。
若采用 KVO 机制,可以在 Model 中合成一个新的属性M,并且使得 M 依赖于 A、B、C、D,再在 Controller 中观察属性 M 即可。

KVO陷阱


KVO 本身存在不少争议,也有人为其开出了长长的『罪行』清单。
个人认为 KVO 值得我们关注的缺点有:

  • string 类型的 key:
    在 KVO 中所有 key path 都是 string 类型,也就意味着无法通过编译器在编译期发现像拼写错误这类的 warning、error;

  • 无法指定响应 KVO 的selector:
    一个类只能集中在observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:方法中处理 KVO 消息,而无法像 NSNotification 那样在注册观察者时指定 selector,这就导致如果某个类观察的属性较多时,在该方法中就会出现长长的if...else...

  • KVO 消息是隐式的(implicit):
    一旦 KVO 相关的观察者注册完毕,其余的事情都由 runtime 完成,虽然符合数据单向流通的设计要求,但在实际开发过程中还是有些困扰,尤其是新人接手老项目时,可能无法意识到修改某个属性的值会产生一系列的影响,不便于问题的调试、跟踪。

当然,使用 KVO 还有一些要注意的地方,处理不好可能会 crash、产生意料之外的结果等,这些都属于编码规范一类的,在此不多作讨论。

KVO背后的故事


我们知道被观察属性值发生变化时,观察者能自动收到 KVO 消息,这是如何实现的呢?
这一切都要归功于 Objective-C 语言的动态 runtime,mikeash大神对此有过具体分析,在此我们再来梳理一下。



从上述结果我们能得出:

  • 在某个对象(_observedObject)上添加观察者时,runtime 会为其动态生成一个子类(NSKVONotifying_KVOObserved),并将被观察对象(_observedObject)的isa指针切换到新生成的子类上;
  • 在被观察对象(_observedObject)上移除观察者时,其isa指针又会切换回来;
  • Apple 君为了隐藏 KVO 的实现细节,在动态生成的子类中重写了class方法,使其返回原有类的信息(当然通过object_getClass获取的isa指针信息是无法隐藏的)。

我们再来对比一下这两个类都包含了哪些方法(注:printNamesStr只会输出该类自身的方法,不会包含父类的方法):

可以看到在NSKVONotifying_KVOObserved类中重载了setX:classdealloc方法,添加了_isKVOA方法。
更进一步,我们发现被NSKVONotifying_KVOObserved重载的setX:实际指向全局的:_NSSetLongLongValueAndNotify方法。

针对不同的类型,Apple 实现了以下方法:
_NSSetBoolValueAndNotify、_NSSetCharValueAndNotify、_NSSetDoubleValueAndNotify、_NSSetFloatValueAndNotify、_NSSetIntValueAndNotify、_NSSetLongLongValueAndNotify、_NSSetLongValueAndNotify、_NSSetObjectValueAndNotify、_NSSetPointValueAndNotify、_NSSetRangeValueAndNotify、_NSSetRectValueAndNotify、_NSSetShortValueAndNotify、_NSSetSizeValueAndNotify、_NSSetUnsignedCharValueAndNotify、_NSSetUnsignedIntValueAndNotify、_NSSetUnsignedLongLongValueAndNotify、_NSSetUnsignedLongValueAndNotify、_NSSetUnsignedShortValueAndNotify

这些方法虽没有开源,但其内部实现通过调用栈能所有了解:

在该方法中我们看到了熟悉的willChangeValueForKey:以及didChangeValueForKey:方法的调用。

小结


KVO 通过 runtime 动态机制实现了自动发送 KVO 消息,但正如前文所说 KVO 也存在不少争议,在使用前需要仔细思考,其是否是最佳选项。

参考资料:
Friday Q&A 2009-01-23
Key-Value Observing Done Right
Key-Value Observing
Key-Value Observing Programming Guide
Key-Value Coding Programming Guide
Key-Value Coding and Observing
KVO Considered Harmful