如何本身动手实现 KVO

        本文是 Objective-C Runtime 系列文章的第三篇。若是你对 Objective-C Runtime 还不是很了解，能够先去看看前两篇文章：

1. Objective-C Runtime
2. Method Swizzling 和 AOP 实践

        本篇会探究 KVO (Key-Value Observing) 实现机制，并去实践一番 - 利用 Runtime 本身动手去实现 KVO 。

KVO (Key-Value Observing)

KVO 是 Objective-C 对观察者模式（Observer Pattern）的实现。也是 Cocoa Binding 的基础。当被观察对象的某个属性发生更改时，观察者对象会得到通知。

有意思的是，你不须要给被观察的对象添加任何额外代码，就能使用 KVO 。这是怎么作到的？

KVO 实现机制

KVO 的实现也依赖于 Objective-C 强大的 Runtime 。Apple 的文档有简单提到过 KVO 的实现：

Automatic key-value observing is implemented using a technique called isa-swizzling... 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 ...

Apple 的文档真是一笔带过，惟一有用的信息也就是：被观察对象的 isa 指针会指向一个中间类，而不是原来真正的类。看来，Apple 并不但愿过多暴露 KVO 的实现细节。不过，要是你用 runtime 提供的方法去深刻挖掘，全部被掩盖的细节都会原形毕露。Mike Ash 早在 2009 年就作了这么个探究。

简单概述下 KVO 的实现：

当你观察一个对象时，一个新的类会动态被建立。这个类继承自该对象的本来的类，并重写了被观察属性的 setter 方法。天然，重写的 setter 方法会负责在调用原 setter方法以前和以后，通知全部观察对象值的更改。最后把这个对象的 isa 指针 ( isa 指针告诉 Runtime 系统这个对象的类是什么 ) 指向这个新建立的子类，对象就神奇的变成了新建立的子类的实例。

原来，这个中间类，继承自本来的那个类。不只如此，Apple 还重写了 -class 方法，企图欺骗咱们这个类没有变，就是本来那个类。更具体的信息，去跑一下 Mike Ash 的那篇文章里的代码就能明白，这里就再也不重复。

KVO 缺陷

KVO 很强大，没错。知道它内部实现，或许能帮助更好地使用它，或在它出错时更方便调试。但官方实现的 KVO 提供的 API 实在不怎么样。

好比，你只能经过重写 -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: 方法来得到通知。想要提供自定义的 selector ，不行；想要传一个 block ，门都没有。并且你还要处理父类的状况 - 父类一样监听同一个对象的同一个属性。但有时候，你不知道父类是否是对这个消息有兴趣。虽然 context 这个参数就是干这个的，也能够解决这个问题 - 在 -addObserver:forKeyPath:options:context: 传进去一个父类不知道的 context。但总以为框在这个 API 的设计下，代码写的很别扭。至少至少，也应该支持 block 吧。

有很多人都以为官方 KVO 很差使的。Mike Ash 的 Key-Value Observing Done Right，以及得到很多分享讨论的 KVO Considered Harmful 都把 KVO 拿出来吊打了一番。因此在实际开发中 KVO 使用的情景并很少，更多时候仍是用 Delegate 或 NotificationCenter。

本身实现 KVO

若是没找到理想的，就本身动手作一个。既然咱们对官方的 API 不太满意，又知道如何去实现一个 KVO，那就尝试本身动手写一个简易的 KVO 玩玩。

首先，咱们建立 NSObject 的 Category，并在头文件中添加两个 API：

typedef void(^PGObservingBlock)(id observedObject, NSString *observedKey, id oldValue, id newValue);

@interface NSObject (KVO)

- (void)PG_addObserver:(NSObject *)observer
                forKey:(NSString *)key
             withBlock:(PGObservingBlock)block;

- (void)PG_removeObserver:(NSObject *)observer forKey:(NSString *)key;

@end

接下来，实现 PG_addObserver:forKey:withBlock: 方法。逻辑并不复杂：

1. 检查对象的类有没有相应的 setter 方法。若是没有抛出异常；
2. 检查对象 isa 指向的类是否是一个 KVO 类。若是不是，新建一个继承原来类的子类，并把 isa 指向这个新建的子类；
3. 检查对象的 KVO 类重写过没有这个 setter 方法。若是没有，添加剧写的 setter 方法；
4. 添加这个观察者

- (void)PG_addObserver:(NSObject *)observer
                forKey:(NSString *)key
             withBlock:(PGObservingBlock)block
{
    // Step 1: Throw exception if its class or superclasses doesn't implement the setter
    SEL setterSelector = NSSelectorFromString(setterForGetter(key));
    Method setterMethod = class_getInstanceMethod([self class], setterSelector);
    if (!setterMethod) {
        // throw invalid argument exception
    }

    Class clazz = object_getClass(self);
    NSString *clazzName = NSStringFromClass(clazz);

    // Step 2: Make KVO class if this is first time adding observer and 
    //          its class is not an KVO class yet
    if (![clazzName hasPrefix:kPGKVOClassPrefix]) {
        clazz = [self makeKvoClassWithOriginalClassName:clazzName];
        object_setClass(self, clazz);
    }

    // Step 3: Add our kvo setter method if its class (not superclasses) 
    //          hasn't implemented the setter
    if (![self hasSelector:setterSelector]) {
        const char *types = method_getTypeEncoding(setterMethod);
        class_addMethod(clazz, setterSelector, (IMP)kvo_setter, types);
    }

    // Step 4: Add this observation info to saved observation objects
    PGObservationInfo *info = [[PGObservationInfo alloc] initWithObserver:observer Key:key block:block];
    NSMutableArray *observers = objc_getAssociatedObject(self, (__bridge const void *)(kPGKVOAssociatedObservers));
    if (!observers) {
        observers = [NSMutableArray array];
        objc_setAssociatedObject(self, (__bridge const void *)(kPGKVOAssociatedObservers), observers, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    }
    [observers addObject:info];
}

再来一步一步细看。

第一步里，先经过 setterForGetter() 方法得到相应的 setter 的名字（SEL）。也就是把 key 的首字母大写，而后前面加上 set 后面加上 :，这样 key 就变成了 setKey:。而后再用 class_getInstanceMethod 去得到 setKey: 的实现（Method）。若是没有，天然要抛出异常。

第二步，咱们先看类名有没有咱们定义的前缀。若是没有，咱们就去建立新的子类，并经过 object_setClass() 修改 isa 指针。

- (Class)makeKvoClassWithOriginalClassName:(NSString *)originalClazzName
{
    NSString *kvoClazzName = [kPGKVOClassPrefix stringByAppendingString:originalClazzName];
    Class clazz = NSClassFromString(kvoClazzName);

    if (clazz) {
        return clazz;
    }

    // class doesn't exist yet, make it
    Class originalClazz = object_getClass(self);
    Class kvoClazz = objc_allocateClassPair(originalClazz, kvoClazzName.UTF8String, 0);

    // grab class method's signature so we can borrow it
    Method clazzMethod = class_getInstanceMethod(originalClazz, @selector(class));
    const char *types = method_getTypeEncoding(clazzMethod);
    class_addMethod(kvoClazz, @selector(class), (IMP)kvo_class, types);

    objc_registerClassPair(kvoClazz);

    return kvoClazz;
}

动态建立新的类须要用 objc/runtime.h 中定义的 objc_allocateClassPair() 函数。传一个父类，类名，而后额外的空间（一般为 0），它返回给你一个类。而后就给这个类添加方法，也能够添加变量。这里，咱们只重写了 class 方法。哈哈，跟 Apple 同样，这时候咱们也企图隐藏这个子类的存在。最后 objc_registerClassPair() 告诉 Runtime 这个类的存在。

第三步，重写 setter 方法。新的 setter 在调用原 setter 方法后，通知每一个观察者（调用以前传入的 block ）：

static void kvo_setter(id self, SEL _cmd, id newValue)  
{
    NSString *setterName = NSStringFromSelector(_cmd);
    NSString *getterName = getterForSetter(setterName);

    if (!getterName) {
        // throw invalid argument exception
    }

    id oldValue = [self valueForKey:getterName];

    struct objc_super superclazz = {
        .receiver = self,
        .super_class = class_getSuperclass(object_getClass(self))
    };

    // cast our pointer so the compiler won't complain
    void (*objc_msgSendSuperCasted)(void *, SEL, id) = (void *)objc_msgSendSuper;

    // call super's setter, which is original class's setter method
    objc_msgSendSuperCasted(&superclazz, _cmd, newValue);

    // look up observers and call the blocks
    NSMutableArray *observers = objc_getAssociatedObject(self, (__bridge const void *)(kPGKVOAssociatedObservers));
    for (PGObservationInfo *each in observers) {
        if ([each.key isEqualToString:getterName]) {
            dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
                each.block(self, getterName, oldValue, newValue);
            });
        }
    }
}

细心的同窗会发现咱们对 objc_msgSendSuper 进行类型转换。在 Xcode 6 里，新的 LLVM 会对 objc_msgSendSuper 以及 objc_msgSend 作严格的类型检查，若是不作类型转换。Xcode 会抱怨有 too many arguments 的错误。（在 WWDC 2014 的视频 What new in LLVM 中有提到过这个问题。）

最后一步，把这个观察的相关信息存在 associatedObject 里。观察的相关信息（观察者，被观察的 key, 和传入的 block ）封装在 PGObservationInfo 类里。

@interface PGObservationInfo : NSObject

@property (nonatomic, weak) NSObject *observer;
@property (nonatomic, copy) NSString *key;
@property (nonatomic, copy) PGObservingBlock block;

@end

就此，一个基本的 KVO 就能够 work 了。固然，这只是一个一天多作出来的小东西，会有 bug，也有不少能够优化完善的地方。但做为 demo 演示如何利用 Runtime 动态建立类、如何实现 KVO，足已。

完整的例子能够从这里下载：ImplementKVO