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KVC原理剖析

百家作者：iOS开发 2018-03-07 11:10:56

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在工作中经常会使用到KVC，但是很多人对于KVC的实现原理并不太清楚。比如说KVC在进行存取时，是怎么进行查找并赋值的。

网上有很多讲KVC的文章，但是有很多质量并不高。这两天抽空把我所理解的KVC写出来，当做学习交流，正好也让各位大神帮我指正一下，十分感谢！

协议定义

KVC全称是Key Value Coding，定义在NSKeyValueCoding.h文件中，是一个非正式协议。KVC提供了一种间接访问其属性方法或成员变量的机制，可以通过字符串来访问对应的属性方法或成员变量。

NSKeyValueCoding Protocol

在NSKeyValueCoding中提供了KVC通用的访问方法，分别是getter方法valueForKey:和setter方法setValue:forKey:，以及其衍生的keyPath方法，这两个方法各个类通用的。并且由KVC提供默认的实现，我们也可以自己重写对应的方法来改变实现。

基础操作

KVC主要对三种类型进行操作，基础数据类型及常量、对象类型、集合类型。

@interface BankAccount : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSNumber *currentBalance;
@property (nonatomic, strong) Person *owner;
@property (nonatomic, strong) NSArray *transactions;
@end

在使用KVC时，直接将属性名当做key，并设置value，即可对属性进行赋值。

[myAccount setValue:@(100.0) forKey:@"currentBalance"];

keyPath

除了对当前对象的属性进行赋值外，还可以对其更“深层”的对象进行赋值。例如对当前对象的address属性的street属性进行赋值。KVC进行多级访问时，直接类似于属性调用一样用点语法进行访问即可。

[myAccount setValue:@"中关村大街" forKeyPath:@"address.street"];

通过keyPath对数组进行取值时，并且数组中存储的对象类型都相同，可以通过valueForKeyPath:方法指定取出数组中所有对象的某个字段。例如下面例子中，通过valueForKeyPath:将数组中所有对象的name属性值取出，并放入一个数组中返回。

NSArray *names = [array valueForKeyPath:@"name"];

多值操作

需要注意的是，虽然看到dictionary的字样，下面两个方法并不是字典的方法。

KVC还有更强大的功能，可以根据给定的一组key，获取到一组value，并且以字典的形式返回，获取到字典后可以通过key从字典中获取到value。

- (NSDictionary *)dictionaryWithValuesForKeys:(NSArray *)keys;

同样，也可以通过KVC进行批量赋值。在对象调用setValuesForKeysWithDictionary:方法时，可以传入一个包含key、value的字典进去，KVC可以将所有数据按照属性名和字典的key进行匹配，并将value给User对象的属性赋值。

- (void)setValuesForKeysWithDictionary:(NSDictionary *)keyedValues;

实用技巧

在项目中经常会遇到字典转模型的情况，如果在自定义的init方法里逐个赋值，这样每次数据发生改变还需要改赋值语句。然而通过KVC为我们提供的赋值API，可以对数据进行批量赋值。假设有以下JSON数据并定义User类，在外界通过setValuesForKeysWithDictionary:方法对User进行赋值。

JSON数据：
{
"username": "lxz",
"age": 25,
"id": 100
}

@interface User : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSString age;
@property (nonatomic, assign) NSInteger userId;
@end

@implementation User
- (void)setValue:(id)value forUndefinedKey:(NSString *)key {
if ([key isEqualToString:@"id"]) {
self.userId = [value integerValue];
}
}
@end

赋值时会遇到一些问题，例如服务器会返回一个id字段，但是对于客户端来说id是系统保留字段，可以重写setValue:forUndefinedKey:方法并在内部处理id参数的赋值。

转换时需要服务器数据和类定义匹配，字段数量和字段名都应该匹配。如果User比服务器数据多，则服务器没传的字段为空。如果服务端传递的数据User中没有定义，则会导致崩溃。

在KVC进行属性赋值时，内部会对基础数据类型做处理，不需要手动做NSNumber的转换。需要注意的是，NSArray和NSDictionary等集合对象，value都不能是nil，否则会导致Crash。

异常信息

当根据KVC搜索规则，没有搜索到对应的key或者keyPath，则会调用对应的异常方法。异常方法的默认实现，在异常发生时会抛出一个NSUndefinedKeyException的异常，并且应用程序Crash。

我们可以重写下面两个方法，根据业务需求合理的处理KVC导致的异常。

- (nullable id)valueForUndefinedKey:(NSString *)key;
- (void)setValue:(nullable id)value forUndefinedKey:(NSString *)key;

异常处理

当通过KVC给某个非对象的属性赋值为nil时，此时KVC会调用属性所属对象的setNilValueForKey:方法，并抛出NSInvalidArgumentException的异常，并使应用程序Crash。

我们可以通过重写下面方法，在发生这种异常时进行处理。例如给name赋值为nil的时候，就可以重写setNilValueForKey:方法并表示name是空的。

- (void)setNilValueForKey:(NSString *)key {
if ([key isEqualToString:@"name"]) {
[self setValue:@"" forKey:@”age”];
} else {
[super setNilValueForKey:key];
}
}

集合属性操作

根据KVO的实现原理，是在运行时生成新的子类并重写其setter方法，在其内容发生改变时发送消息。但这只是对属性直接进行赋值会触发，如果属性是容器对象，对容器对象进行add或remove操作，则不会调用KVO的方法。可以通过KVC对应的API来配合使用，使容器对象内部发生改变时也能触发KVO。

在进行容器对象操作时，先调用下面方法通过key或者keyPath获取集合对象，然后再对容器对象进行add或remove等操作时，就会触发KVO的消息通知了。

- (NSMutableArray *)mutableArrayValueForKey:(NSString *)key;
- (NSMutableOrderedSet *)mutableOrderedSetValueForKey:(NSString *)key API_AVAILABLE(macos(10.7), ios(5.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
- (NSMutableSet *)mutableSetValueForKey:(NSString *)key;

keyPath方法：

- (NSMutableArray *)mutableArrayValueForKeyPath:(NSString *)keyPath;
- (NSMutableOrderedSet *)mutableOrderedSetValueForKeyPath:(NSString *)keyPath API_AVAILABLE(macos(10.7), ios(5.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
- (NSMutableSet *)mutableSetValueForKeyPath:(NSString *)keyPath;

集合运算符

KVC提供的valueForKeyPath:方法非常强大，可以通过该方法对集合对象进行“深入”操作，在其keyPath中嵌套集合运算符，例如求一个数组中对象某个属性的count。(集合对象主要指NSArray和NSSet，但不包括NSDictionary)

集合运算符格式

上面表达式主要分为三部分，left部分是要操作的集合对象，如果调用KVC的对象本来就是集合对象，则left可以为空。中间部分是表达式，表达式一般以@符号开头。后面是进行运算的属性。

集合运算符主要分为三类：

集合操作符：处理集合包含的对象，并根据操作符的不同返回不同的类型，返回值以NSNumber为主。
数组操作符：根据操作符的条件，将符合条件的对象包含在数组中返回。
嵌套操作符：处理集合对象中嵌套其他集合对象的情况，返回结果也是一个集合对象。

example

下面是为了方便模拟KVC操作，而创建的测试代码。定义Transaction类为模型类，类中包含三种类型的属性。并定义BankAccount类，其中包含一个数组，下面的代码示例就都是操作这个数组的，并且数组包含所有Transaction对象。

@interface Transaction : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSString *payee;
@property (nonatomic, strong) NSNumber *amount;
@property (nonatomic, strong) NSDate *date;
@end

@interface BankAccount : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSArray *transactions;
@end

集合操作符

集合操作符处理NSArray和NSSet及其子类这样的集合对象，并根据不同的操作符返回不同类型的对象，返回值一般都是NSNumber。

@avg用来计算集合中right keyPath指定的属性的平均值。

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

@count用来计算集合的总数。

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

备注：@count操作符比较特殊，它不需要写right keyPath，即使写了也会被忽略。

@sum用来计算集合中right keyPath指定的属性的总和。

NSNumber *amountSum = [self.transactions valueForKeyPath:@"@sum.amount"];

@max用来查找集合中right keyPath指定的属性的最大值。

NSDate *latestDate = [self.transactions valueForKeyPath:@"@max.date"];

@min用来查找集合中right keyPath指定的属性的最小值。

NSDate *earliestDate = [self.transactions valueForKeyPath:@"@min.date"];

备注：@max和@min在进行判断时，都是通过调用compare:方法进行判断，所以可以通过重写该方法对判断过程进行控制。

数组操作符

@unionOfObjects将集合对象中，所有payee对象放在一个数组中并返回。

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

@distinctUnionOfObjects将集合对象中，所有payee对象放在一个数组中，并将数组进行去重后返回。

NSArray *distinctPayees = [self.transactions valueForKeyPath:@"@distinctUnionOfObjects.payee"];

注意：以上两个方法中，如果操作的属性为nil，在添加到数组中时会导致Crash。

嵌套操作符

由于嵌套操作符是需要对嵌套的集合对象进行操作，所以新建一个arrayOfArrays对象，其中包含两个数组，数组中存储的都是Transaction类型对象。

NSArray *moreTransactions = ....;
NSArray *arrayOfArrays = @[self.transactions, moreTransactions];

@unionOfArrays是用来操作集合内部的集合对象，将所有right keyPath对应的对象放在一个数组中返回。

NSArray *collectedPayees = [arrayOfArrays valueForKeyPath:@"@unionOfArrays.payee"];

@distinctUnionOfArrays是用来操作集合内部的集合对象，将所有right keyPath对应的对象放在一个数组中，并进行排重。

NSArray *collectedDistinctPayees = [arrayOfArrays valueForKeyPath:@"@distinctUnionOfArrays.payee"];

@distinctUnionOfSets是用来操作集合内部的集合对象，将所有right keyPath对应的对象放在一个set中，并进行排重。

NSSet *collectedPayees = [arrayOfArrays valueForKeyPath:@"@distinctUnionOfSets.payee"];

小技巧

如果在集合对象中操作的属性，本来就是NSNumber类型，则可以像下面这样，直接用self代表值自身。

NSArray *array = @[@(productA.price), @(productB.price), @(productC.price), @(productD.price)];
NSNumber *avg = [array valueForKeyPath:@"@avg.self"];

非对象值处理

KVC是支持基础数据类型和结构体的，可以在setter和getter的时候，通过NSValue和NSNumber来转换为OC对象。Swift中不存在这样的需求，因为Swift中所有变量都是对象。

以下是结构体转换的示例代码，可以调用initWithBool:方法对基础数据类型进行包装，除了调用方法外还可以通过字面量实现，例如@(YES)的调用。通过NSNumber的boolValue属性转换为基础数据类型。

@property (nonatomic, assign, readonly) BOOL boolValue;
- (NSNumber *)initWithBool:(BOOL)value NS_DESIGNATED_INITIALIZER;

结构体转换的代码定义在UIGeometry.h中，以NSValue的Category形式存在。NSValue对CGPoint、CGRect等结构体都提供了转换方法，例如下面是对CGPoint进行转换的示例代码。

@property(nonatomic, assign, readonly) CGPoint CGPointValue;
+ (NSValue *)valueWithCGPoint:(CGPoint)point;

需要注意的是，无论什么时候都不应该给setter中传入nil，会导致Crash并引起NSInvalidArgumentException异常。

属性验证

在调用KVC时可以先进行验证，验证通过下面两个方法进行，支持key和keyPath两种方式。验证方法默认实现返回YES，可以通过重写对应的方法修改验证逻辑。

验证方法需要我们手动调用，并不会在进行KVC的过程中自动调用。

- (BOOL)validateValue:(inout id _Nullable * _Nonnull)ioValue forKey:(NSString *)inKey error:(out NSError **)outError;
- (BOOL)validateValue:(inout id _Nullable * _Nonnull)ioValue forKeyPath:(NSString *)inKeyPath error:(out NSError **)outError;

下面是使用验证方法的例子。在validateValue方法的内部实现中，如果传入的value或key有问题，可以通过返回NO来表示错误，并设置NSError对象。

Person *person = [[Person alloc] init];
NSError *error;
NSString *name = @"John";
if (![person validateValue:&name forKey:@"name" error:&error]) {
NSLog(@"%@", error);
}

单独验证

KVC还支持对单独属性做验证，可以通过定义validate:error:格式的方法，并在方法内部实现验证代码。在编写KVC验证代码的时候，应该先查找属性有没有自定义validate方法，然后再查找validateValue:方法，如果有则调用自己实现的方法，如果两个方法都没有实现则默认返回YES。

- (BOOL)validateName:(id *)ioValue error:(NSError * __autoreleasing *)outError{
if ((*ioValue == nil) || ([(NSString *)*ioValue length] < 2)) {
if (outError != NULL) {
*outError = [NSError errorWithDomain:PersonErrorDomain
code:PersonInvalidNameCode
userInfo:@{ NSLocalizedDescriptionKey
: @"Name too short" }];
}
return NO;
}
return YES;
}

我觉得KVC应该支持validateValue自动验证，在调用setValue或getValue时自动进行验证，如果不符合验证规则，就调用失败。如果外界使用的地方都先调用一次validateValue的话，这是很麻烦的。当然也有解决方法，可以通过Method Swizzling方法hook住setValue和getValue方法。

搜索规则

KVC在通过key或者keyPath进行操作的时候，可以查找属性方法、成员变量等，查找的时候可以兼容多种命名。具体的查找规则要以官方文档为主，所以我把官方文档翻译了一下写在下面。

在KVC的实现中，依赖setter和getter的方法实现，所以方法命名应该符合苹果要求的规范，否则会导致KVC失败。

在学习KVC的搜索规则前，要先弄明白一个属性的作用，这个属性在搜索过程中起到很重要的作用。这个属性表示是否允许读取实例变量的值，如果为YES则在KVC查找的过程中，从内存中读取属性实例变量的值。

@property (class, readonly) BOOL accessInstanceVariablesDirectly;

基础Getter搜索模式

这是valueForKey:的默认实现，给定一个key当做输入参数，开始下面的步骤，在这个接收valueForKey:方法调用的类内部进行操作。

通过getter方法搜索实例，例如get, , is, _的拼接方案。按照这个顺序，如果发现符合的方法，就调用对应的方法并拿着结果跳转到第五步。否则，就继续到下一步。
如果没有找到简单的getter方法，则搜索其匹配模式的方法countOf、objectInAtIndex:、AtIndexes:。

如果找到其中的第一个和其他两个中的一个，则创建一个集合代理对象，该对象响应所有NSArray的方法并返回该对象。否则，继续到第三步。

代理对象随后将NSArray接收到的countOf、objectInAtIndex:、AtIndexes:的消息给符合KVC规则的调用方。

当代理对象和KVC调用方通过上面方法一起工作时，就会允许其行为类似于NSArray一样。
如果没有找到NSArray简单存取方法，或者NSArray存取方法组。则查找有没有countOf、enumeratorOf、memberOf:命名的方法。

如果找到三个方法，则创建一个集合代理对象，该对象响应所有NSSet方法并返回。否则，继续执行第四步。

此代理对象随后转换countOf、enumeratorOf、memberOf:方法调用到创建它的对象上。实际上，这个代理对象和NSSet一起工作，使得其表象上看起来是NSSet。
如果没有发现简单getter方法，或集合存取方法组，以及接收类方法accessInstanceVariablesDirectly是返回YES的。搜索一个名为_、_is、、is的实例，根据他们的顺序。

如果发现对应的实例，则立刻获得实例可用的值并跳转到第五步，否则，跳转到第六步。
如果取回的是一个对象指针，则直接返回这个结果。
如果取回的是一个基础数据类型，但是这个基础数据类型是被NSNumber支持的，则存储为NSNumber并返回。
如果取回的是一个不支持NSNumber的基础数据类型，则通过NSValue进行存储并返回。
如果所有情况都失败，则调用valueForUndefinedKey:方法并抛出异常，这是默认行为。但是子类可以重写此方法。

基础Setter搜索模式

这是setValue:forKey:的默认实现，给定输入参数value和key。试图在接收调用对象的内部，设置属性名为key的value，通过下面的步骤：

查找set:或_set命名的setter，按照这个顺序，如果找到的话，调用这个方法并将值传进去(根据需要进行对象转换)。
如果没有发现一个简单的setter，但是accessInstanceVariablesDirectly类属性返回YES，则查找一个命名规则为_、_is、、is的实例变量。根据这个顺序，如果发现则将value赋值给实例变量。
如果没有发现setter或实例变量，则调用setValue:forUndefinedKey:方法，并默认提出一个异常，但是一个NSObject的子类可以提出合适的行为。

NSMutableArray搜索模式

这是mutableArrayValueForKey:的默认实现，给一个key当做输入参数。在接收访问器调用的对象中，返回一个名为key的可变代理数组，这个代理数组就是用来响应外界KVO的对象，通过下面的步骤进行查找：

查找一对方法insertObject:inAtIndex:和removeObjectFromAtIndex:(相当于NSMutableArray的原始方法insertObject:atIndex:和removeObjectAtIndex:)或者方法名是insert:atIndexes:和removeAtIndexes:(相当于NSMutableArray的原始方法insertObjects:atIndexes:和removeObjectsAtIndexes:)。

如果找到最少一个insert方法和最少一个remove方法，则返回一个代理对象，来响应发送给NSMutableArray的组合消息insertObject:inAtIndex:、removeObjectFromAtIndex:、insert:atIndexes:，和removeAtIndexes:消息。

当对象接收一个mutableArrayValueForKey:消息并实现可选替换方法，例如replaceObjectInAtIndex:withObject:或replaceAtIndexes:with:方法，代理对象会在适当的情况下使用它们，以获得最佳性能。
如果对象没有可变数组方法，查找一个替代方法，命名格式为set:。在这种情况下，向mutableArrayValueForKey:的原始响应者发送一个set:消息，来返回一个代理对象来响应NSMutableArray事件。

提示：
这一步描述的机制远不如上一步有效，因为它可能重复创建新的集合对象，而不是修改现有的对象。因此，在自己设计的KVC时应该尽量避免它。
如果没有可变数组的方法，也没有找到访问器，但接受响应的类accessInstanceVariablesDirectly属性返回YES，则查找一个名为_或的实例变量。

按照这个顺序，如果找到实例变量，则返回一个代理对象。改对象将接收所有NSMutableArray发送过来的消息，通常是NSMutableArray或其子类。
如果所有情况都失败，则返回一个可变的集合代理对象。当它接收NSMutableArray消息时，发送一个setValue:forUndefinedKey:消息给接收mutableArrayValueForKey:消息的原始对象。

这个setValue:forUndefinedKey:的默认实现是提出一个NSUndefinedKeyException异常，但是子类可以重写这个实现。

其他搜索模式

还有NSMutableSet和NSMutableOrderedSet两种搜索模式，这两种搜索模式和NSMutableArray步骤相同，只是搜索和调用的方法不同。详细的搜索方法都可以在KVC官方文档中找到，再套用上面的流程即可理解。

代码示例

根据上面KVC查找规则的描述，我们定义一个TestObject类，并指定其他setter和getter，以及合成为其他的成员变量，看KVC是否能够找到属性的对象并赋值。

@interface TestObject : NSObject {
NSObject *_newObject;
}
@property (nonatomic, strong, setter=newSetObject:, getter=newObject) NSObject *object;
@property (nonatomic, strong) NSObject *twoObject;
@end

@implementation TestObject
@synthesize object = _newObject;
@end

这里对两个属性进行赋值，twoObject属性赋值没有任何问题，而第二个属性赋值则会导致Crash。崩溃信息如上面所述抛出一个NSUnknownKeyException异常，并提示没有找到object获取方法和实例对象。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object setValue:[NSObject new] forKey:NSStringFromSelector(@selector(twoObject))];
[object setValue:[NSObject new] forKey:NSStringFromSelector(@selector(object))];

如果将object改为newObject则可以解决这个问题，以此验证上面的KVC查找规则。

KVC性能

根据上面KVC的实现原理，我们可以看出KVC的性能并不如直接访问属性快，虽然这个性能消耗是微乎其微的。所以在使用KVC的时候，建议最好不要手动设置属性的setter、getter，这样会导致搜索步骤变长。

而且尽量不要用KVC进行集合操作，例如NSArray、NSSet之类的，集合操作的性能消耗更大，而且还会创建不必要的对象。

私有访问

根据上面的实现原理我们知道，KVC本质上是操作方法列表以及在内存中查找实例变量。我们可以利用这个特性访问类的私有变量，例如下面在.m中定义的私有成员变量和属性，都可以通过KVC的方式访问。

这个操作对readonly的属性，@protected的成员变量，都可以正常访问。如果不想让外界访问类的成员变量，则可以将accessInstanceVariablesDirectly属性赋值为NO。