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iOS底層學習：KVC 底層原理

在 iOS 開發中，KVC（Key-Value Coding，鍵值編碼） 是一種通過字符串鍵名間接訪問對象屬性的機制，基于NSKeyValueCoding協議實現。它提供了動態訪問對象屬性的能力，無需直接調用存取方法或操作實例變量，極大提升了代碼的靈活性和動態性。

一、核心 API 與功能特性

KVC 提供了一套完整的 API 用于屬性的讀寫、驗證和集合操作，核心方法如下：

常用方法

• 通過key 設值/取值
  • 方法原型

//直接通過Key來取值
- (nullable id)valueForKey:(NSString *)key;//通過Key來設值
- (void)setValue:(nullable id)value forKey:(NSString *)key;

? 使用:

// 通過鍵名獲取屬性值
id value = [object valueForKey:@"propertyKey"]; 
// 通過鍵路徑獲取嵌套屬性值（如：person.student.name）
id value = [object valueForKeyPath:@"keyPath"]; 

• 通過keyPath （即路由）設值/取值

  • 方法原型

  //通過KeyPath來取值
  - (nullable id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath; //通過KeyPath來設值                 
  - (void)setValue:(nullable id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;  
  

  使用

  // 通過鍵名設置屬性值
  [object setValue:newValue forKey:@"propertyKey"]; 
  // 通過鍵路徑設置嵌套屬性值
  [object setValue:newValue forKeyPath:@"keyPath"]; 
  

其他方法

//默認返回YES，表示如果沒有找到Set<Key>方法的話，會按照_key，_iskey，key，iskey的順序搜索成員，設置成NO就不這樣搜索
+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly;//KVC提供屬性值正確性驗證的API，它可以用來檢查set的值是否正確、為不正確的值做一個替換值或者拒絕設置新值并返回錯誤原因。
- (BOOL)validateValue:(inout id __nullable * __nonnull)ioValue forKey:(NSString *)inKey error:(out NSError **)outError;//這是集合操作的API，里面還有一系列這樣的API，如果屬性是一個NSMutableArray，那么可以用這個方法來返回。
- (NSMutableArray *)mutableArrayValueForKey:(NSString *)key;//如果Key不存在，且KVC無法搜索到任何和Key有關的字段或者屬性，則會調用這個方法，默認是拋出異常。
- (nullable id)valueForUndefinedKey:(NSString *)key;//和上一個方法一樣，但這個方法是設值。
- (void)setValue:(nullable id)value forUndefinedKey:(NSString *)key;//如果你在SetValue方法時面給Value傳nil，則會調用這個方法
- (void)setNilValueForKey:(NSString *)key;//輸入一組key,返回該組key對應的Value，再轉成字典返回，用于將Model轉到字典。
- (NSDictionary<NSString *, id> *)dictionaryWithValuesForKeys:(NSArray<NSString *> *)keys;

通過 validateValue:forKey:error: 方法驗證屬性值的合法性：

- (BOOL)validateValue:(inout id _Nullable __autoreleasing *)ioValue forKey:(NSString *)inKey error:(out NSError **)outError {// 自定義驗證邏輯（如：限制數值范圍、字符串長度等）if ([inKey isEqualToString:@"age"] && [(NSNumber *)*ioValue integerValue] < 0) {*ioValue = @(0); // 修正非法值if (outError) {*outError = [NSError errorWithDomain:@"ValidationError" code:0 userInfo:@{NSLocalizedDescriptionKey:@"Age cannot be negative"}];}return NO;}return YES;
}

KVC 設值 底層原理

在日常開發中，針對對象屬性的賦值，一般有以下兩種方式

• 直接通過setter方法賦值
• 通過KVC鍵值編碼的相關API賦值

LGPerson *person = [[LGPerson alloc] init];
// 1、一般setter 方法
person.name      = @"CJL_哈哈";
// 2、KVC方式
[person setValue:@"CJL_嘻嘻" forKey:@"name"]; 

下面針對使用最多的KVC設值方法：setValue:forKey，來進行其底層原理的探索。

首先進入setValue:forKey的聲明，發現是在Foundation框架中，而Foundation框架是不開源的，所以我們通過觀看官方文檔研究。

當調用setValue:forKey:設置屬性value時，其底層的執行流程為

• 【第一步】首先查找是否有這三種setter方法，按照查找順序為set<Key>：-> _set<Key> -> setIs<Key>

  • 如果有其中任意一個setter方法，則直接設置屬性的value（注意：key是指成員變量名，首字符大小寫需要符合KVC的命名規范）
  • 如果都沒有，則進入【第二步】

• 【第二步】：如果沒有第一步中的三個簡單的setter方法，則查找accessInstanceVariablesDirectly是否返回YES

  • 如果返回YES

    ，則查找間接訪問的實例變量進行賦值，查找順序為：_<key> -> _is<Key> -> <key> -> is<Key>

    • 如果找到其中任意一個實例變量，則賦值
    • 如果都沒有，則進入【第三步】

  • 如果返回NO，則進入【第三步】

• 【第三步】如果setter方法 或者 實例變量都沒有找到，系統會執行該對象的setValue：forUndefinedKey:方法，默認拋出NSUndefinedKeyException類型的異常

綜上所述，KVC通過 setValue:forKey: 方法設值的流程以設置LGPerson的對象person的屬性name為例，如下圖所示

KVC 取值 底層原理

同樣的，我們可以通過官方文檔分析KVC取值的底層原理

當調用valueForKey：時，其底層的執行流程如下

• 【第一步】首先查找getter方法，按照

  get<Key> -> <key> -> is<Key> -> _<key>
  

  的方法順序查找，

  • 如果找到，則進入【第五步】
  • 如果沒有找到，則進入【第二步】

• 【第二步】如果第一步中的getter方法沒有找到，KVC會查找. countOf <Key>和objectIn <Key> AtIndex :和<key> AtIndexes

  • 如果找到countOf <Key>和其他兩個中的一個，則會創建一個響應所有NSArray方法的集合代理對象，并返回該對象，即NSKeyValueArray，是NSArray的子類。代理對象隨后將接收到的所有NSArray消息轉換為countOf<Key>，objectIn<Key> AtIndex：和<key>AtIndexes：消息的某種組合，用來創建鍵值編碼對象。如果原始對象還實現了一個名為get<Key>：range：之類的可選方法，則代理對象也將在適當時使用該方法（注意：方法名的命名規則要符合KVC的標準命名方法，包括方法簽名。）
  • 如果沒有找到這三個訪問數組的，請繼續進入【第三步】

• 【第三步】如果沒有找到上面的幾種方法，則會同時查找countOf <Key>，enumeratorOf<Key>和memberOf<Key>這三個方法

  • 如果這三個方法都找到，則會創建一個響應所有NSSet方法的集合代理對象，并返回該對象，此代理對象隨后將其收到的所有NSSet消息轉換為countOf<Key>，enumeratorOf<Key>和memberOf<Key>：消息的某種組合，用于創建它的對象
  • 如果還是沒有找到，則進入【第四步】

• 【第四步】如果還沒有找到，檢查類方法InstanceVariablesDirectly是否YES，依次搜索 _<key>，_is<Key>，<key>或is<Key>的實例變量

  • 如果搜到，直接獲取實例變量的值，進入【第五步】

• 【第五步】根據搜索到的屬性值的類型，返回不同的結果

  • 如果是對象指針，則直接返回結果
  • 如果是NSNumber支持的標量類型，則將其存儲在NSNumber實例中并返回它
  • 如果是是NSNumber不支持的標量類型，請轉換為NSValue對象并返回該對象

• 【第六步】如果上面5步的方法均失敗，系統會執行該對象的valueForUndefinedKey:方法，默認拋出NSUndefinedKeyException類型的異常

綜上所述，KVC通過 valueForKey： 方法取值的流程以設置LGPerson的對象person的屬性name為例，如下圖所示

自定義KVC

根據上述KVC設值和取值的邏輯，我們可以寫一個自定義的KVC。

設值

自定義KVC設置流程，主要分為以下幾個步驟：

• 1、判斷key非空
• 2、查找setter方法，順序是：setXXX、_setXXX、 setIsXXX
• 3、判斷是否響應accessInstanceVariablesDirectly方法，即間接訪問實例變量，
  • 返回YES，繼續下一步設值，
  • 如果是NO，則崩潰
• 4、間接訪問變量賦值（只會走一次），順序是：_key、_isKey、key、isKey
  • 4.1 定義一個收集實例變量的可變數組
  • 4.2 通過class_getInstanceVariable方法，獲取相應的 ivar
  • 4.3 通過object_setIvar方法，對相應的 ivar 設置值
• 5、如果找不到相關實例變量，則拋出異常

@interface NSObject (GCKVC)//設值
- (void)gc_setValue:(nullable id)value forKey:(NSString *)key;
//取值
- (nullable id)gc_valueForKey:(NSString *)key;@end@implementation NSObject (GCKVC)//設值
- (void)gc_setValue:(nullable id)value forKey:(NSString *)key{// 1、判斷key 是否存在if (key == nil || key.length == 0) return;// 2、找setter方法，順序是：setXXX、_setXXX、 setIsXXX// key 要大寫NSString *Key = key.capitalizedString;// key 要大寫NSString *setKey = [NSString stringWithFormat:@"set%@:", Key];NSString *_setKey = [NSString stringWithFormat:@"_set%@:", Key];NSString *setIsKey = [NSString stringWithFormat:@"setIs%@:", Key];if ([self gc_performSelectorWithMethodName:setKey value:value]) {NSLog(@"*************%@*************", setKey);return;}else if([self gc_performSelectorWithMethodName:_setKey value:value]){NSLog(@"*************%@*************", _setKey);return;}else if([self gc_performSelectorWithMethodName:setIsKey value:value]){NSLog(@"*************%@*************", setIsKey);return;}// 3、判斷是否響應`accessInstanceVariablesDirectly`方法，即間接訪問實例變量，返回YES，繼續下一步設值，如果是NO，則崩潰if (![self.class accessInstanceVariablesDirectly]) {@throw [NSException exceptionWithName:@"GCUnKnownKeyException" reason:[NSString stringWithFormat:@"****[%@ valueForUndefinedKey:]: this class is not key value coding-compliant for the key name.****",self] userInfo:nil];}// 4、間接訪問變量賦值，順序為：_key、_isKey、key、isKey// 4.1 定義一個收集實例變量的可變數組NSMutableArray *mArray = [self getIvarListName];// _<key> _is<Key> <key> is<Key>NSString *_key = [NSString stringWithFormat:@"_%@", key];NSString *_isKey = [NSString stringWithFormat:@"_is%@", Key];NSString *isKey = [NSString stringWithFormat:@"is%@", Key];if ([mArray containsObject:_key]) {// 4.2 獲取相應的 ivarIvar ivar = class_getInstanceVariable([self class], _key.UTF8String);// 4.3 對相應的 ivar 設置值object_setIvar(self, ivar, value);return;}else if ([mArray containsObject:_isKey]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], _isKey.UTF8String);object_setIvar(self, ivar, value);return;}else if ([mArray containsObject:key]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], key.UTF8String);object_setIvar(self, ivar, value);return;}else if ([mArray containsObject:isKey]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], isKey.UTF8String);object_setIvar(self, ivar, value);return;}// 5、如果找不到則拋出異常@throw [NSException exceptionWithName:@"GCUnknownKeyException" reason:[NSString stringWithFormat:@"****[%@ %@]: this class is not key value coding-compliant for the key name.****",self,NSStringFromSelector(_cmd)] userInfo:nil];
}// 獲取實例變量名列表
- (NSMutableArray *)getIvarListName {NSMutableArray *mArray = [NSMutableArray arrayWithCapacity:1];unsigned int count = 0;Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);for (int i = 0; i < count; i++) {Ivar ivar = ivars[i];const char *ivarNameChar = ivar_getName(ivar);NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:ivarNameChar];[mArray addObject:ivarName];}free(ivars);return mArray;
}@end

取值

取值的自定義代碼如下，分為以下幾步

• 1、判斷key非空
• 2、查找相應方法，順序是：get<Key>、 <key>、 countOf<Key>、 objectIn<Key>AtIndex
• 3、判斷是否能夠直接賦值實例變量，即判斷是否響應accessInstanceVariablesDirectly方法，間接訪問實例變量，
  • 返回YES，繼續下一步取值
  • 如果是NO，則崩潰
• 4、間接訪問實例變量，順序是：_<key> _is<Key> <key> is<Key>
  • 4.1 定義一個收集實例變量的可變數組
  • 4.2 通過class_getInstanceVariable方法，獲取相應的 ivar
  • 4.3 通過object_getIvar方法，返回相應的 ivar 的值

// 取值
- (nullable id)gc_valueForKey:(NSString *)key {// 1、判斷非空if (key == nil || key.length == 0) {return nil;}// 2、找到相關方法：get<Key> <key> countOf<Key> objectIn<Key>AtIndex// key 要大寫//capitalizedString 會將每個單詞的首字母大寫，其余小寫。//例如：key = @"firstName" → capitalizedString 后為 @"FirstName" → 方法名 getFirstName。但是URL會變成UrlNSString *Key = key.capitalizedString;// 拼接方法NSString *getKey = [NSString stringWithFormat:@"get%@", Key];NSString *countOfKey = [NSString stringWithFormat:@"countOf%@", Key];NSString *objectInKeyAtIndex = [NSString stringWithFormat:@"objectIn%@AtIndex:", Key];#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Warc-performSelector-leaks"if ([self respondsToSelector:NSSelectorFromString(getKey)]) {return [self performSelector:NSSelectorFromString(getKey)];} else if ([self respondsToSelector:NSSelectorFromString(key)]) {return [self performSelector:NSSelectorFromString(key)];}// 集合類型else if ([self respondsToSelector:NSSelectorFromString(countOfKey)]) {if ([self respondsToSelector:NSSelectorFromString(objectInKeyAtIndex)]) {int num = (int)[self performSelector:NSSelectorFromString(countOfKey)];NSMutableArray *mArray = [NSMutableArray arrayWithCapacity:1];for (int i = 0; i < num - 1; i++) {num = (int)[self performSelector:NSSelectorFromString(countOfKey)];}for (int j = 0; j < num; j++) {id objc = [self performSelector:NSSelectorFromString(objectInKeyAtIndex) withObject:@(j)];[mArray addObject:objc];}return mArray;}}
#pragma clang diagnostic pop// 3、判斷是否響應 `accessInstanceVariablesDirectly` 方法if (![self.class accessInstanceVariablesDirectly]) {@throw [NSException exceptionWithName:@"GCUnKnownKeyException" reason:[NSString stringWithFormat:@"****[%@ valueForUndefinedKey:]: this class is not key value coding-compliant for the key name.****", self] userInfo:nil];}// 4. 找相關實例變量進行取值，順序為：_<key>、_is<Key>、<key>、is<Key>NSMutableArray *mArray = [self getIvarListName];NSString *_key = [NSString stringWithFormat:@"_%@", key];NSString *_isKey = [NSString stringWithFormat:@"_is%@", Key];NSString *isKey = [NSString stringWithFormat:@"is%@", Key];if ([mArray containsObject:_key]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], _key.UTF8String);return object_getIvar(self, ivar);} else if ([mArray containsObject:_isKey]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], _isKey.UTF8String);return object_getIvar(self, ivar);} else if ([mArray containsObject:key]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], key.UTF8String);return object_getIvar(self, ivar);} else if ([mArray containsObject:isKey]) {Ivar ivar = class_getInstanceVariable([self class], isKey.UTF8String);return object_getIvar(self, ivar);}return @"";
}

特性：無隱私訪問

KVC 可訪問私有屬性（突破 @private/@protected 限制）：

// Person.h
@interface Person : NSObject {@privateNSString *_secretCode; // 私有實例變量
}@property (nonatomic, copy) NSString *publicName; // 公開屬性
@end// Person.m
@implementation Person
// 不暴露 _secretCode 的任何方法
@end

通過KVC強制訪問私有屬性

// 創建一個對象
Person *person = [[Person alloc] init];// 合法操作：通過屬性訪問公開字段
person.publicName = @"Alice";// 非法操作（編譯器會報錯）：直接訪問私有變量
// person->_secretCode = @"123"; //  編譯錯誤：'secretCode' is private// 但通過 KVC 可以繞過限制
[person setValue:@"TOP_SECRET_123" forKey:@"secretCode"]; // 讀取私有變量
NSString *stolenSecret = [person valueForKey:@"secretCode"];
NSLog(@"竊取的私有變量值: %@", stolenSecret); 
// 輸出：竊取的私有變量值: TOP_SECRET_123

原理

KVC 查找順序：

• 先嘗試調用 setSecretCode: 或 _setSecretCode: 方法（不存在）。
• 然后直接訪問實例變量 _secretCode（即使它是 @private）。

如果需要保護私有屬性，可重寫 accessInstanceVariablesDirectly 返回 NO：

四、多元應用場景

1. 動態數據處理

（1）字典轉模型

// 模型類
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@end// 批量賦值
NSDictionary *data = @{@"name": @"Alice", @"age": @25};
Person *person = [[Person alloc] init];
[person setValuesForKeysWithDictionary:data]; // KVC 批量賦值

（2）模型轉字典

NSDictionary *dict = [person dictionaryWithValuesForKeys:@[@"name", @"age"]]; // KVC 提取屬性值

2. 系統控件定制

修改 UITextField 占位符顏色（私有屬性 _placeholderLabel）：

UITextField *textField = [[UITextField alloc] init];
UILabel *placeholderLabel = [textField valueForKey:@"_placeholderLabel"];
placeholderLabel.textColor = [UIColor lightGrayColor]; // 通過 KVC 修改私有屬性

3. 高階集合操作

在對容器類使用KVC時，valueForKey:將會被傳遞給容器中的每一個對象，而不是對容器本身進行操作，結果會被添加到返回的容器中，這樣，可以很方便的操作集合 來返回 另一個集合（如：首字母大寫）：

NSArray *arr = @[@"hello", @"world"];
NSArray *capitalizedArr = [arr valueForKey:@"capitalizedString"]; // 結果：@[@"Hello", @"World"]

有如下Person類

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@property (nonatomic, assign) CGFloat salary;
@end// 數據準備
NSArray *people = @[[Person personWithName:@"Alice" age:25 salary:5000],[Person personWithName:@"Bob" age:30 salary:8000],[Person personWithName:@"Charlie" age:28 salary:6000]
];

(1) 聚合運算

操作符	作用	示例
@count	返回集合元素個數	[people valueForKeyPath:@"@count"] → 3
@sum	求和	[people valueForKeyPath:@"@sum.age"] → 83
@avg	平均值	[people valueForKeyPath:@"@avg.salary"] → 6333.33
@max	最大值	[people valueForKeyPath:@"@max.age"] → 30
@min	最小值	[people valueForKeyPath:@"@min.salary"] → 5000

(2) 數組映射

操作符	作用	示例
@unionOfObjects	提取屬性組成新數組（不去重）	[people valueForKeyPath:@"@unionOfObjects.name"] → ["Alice", "Bob", "Charlie"]
@distinctUnionOfObjects	提取屬性并去重	若兩人同名，結果會去重

(3) 嵌套集合操作

如果集合中嵌套集合（如 NSArray<NSArray *>）：

NSArray *departments = @[@[person1, person2], @[person3, person4]
];
// 提取所有員工的 name（扁平化）
NSArray *allNames = [departments valueForKeyPath:@"@unionOfArrays.name"];

當然我們還可以通過自定義方法來實現自定義操作

@implementation Person// 自定義 KVC 集合操作符
- (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath {if ([keyPath hasSuffix:@"@median"]) {NSArray *values = [self valueForKeyPath:[keyPath substringToIndex:keyPath.length - 7]];return [self medianOfArray:values];}return [super valueForKeyPath:keyPath];
}- (NSNumber *)medianOfArray:(NSArray *)numbers {// 計算中位數邏輯...
}@end// 使用
NSNumber *medianAge = [people valueForKeyPath:@"age@median"];