iOS 开发:『Crash 防护系统』(二)KVO 防护

1. KVO Crash 的常见原因

KVO(Key Value Observing) 翻译过来就是键值对观察,是 iOS 观察者模式的一种实现。KVO 允许一个对象监听另一个对象特定属性的改变,并在改变时接收到事件。但是 KVO API 的设计,我个人觉得不是很合理。被观察者需要做的工作太多,日常使用时稍不注意就会导致崩溃。

KVO 日常使用造成崩溃的原因通常有以下几个:

1. KVO 添加次数和移除次数不匹配:

  • 移除了未注册的观察者,导致崩溃。

  • 重复移除多次,移除次数多于添加次数,导致崩溃。

  • 重复添加多次,虽然不会崩溃,但是发生改变时,也同时会被观察多次。

2. 被观察者提前被释放,被观察者在 dealloc 时仍然注册着 KVO,导致崩溃。 例如:被观察者是局部变量的情况(iOS 10 及之前会崩溃)。

3. 添加了观察者,但未实现 observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: 方法,导致崩溃。

4. 添加或者移除时 keypath == nil,导致崩溃。

2. KVO 防止 Crash 常见方案

为了避免上面提到的使用 KVO 造成崩溃的问题,于是出现了很多关于 KVO 的第三方库,比如最出名的就是 FaceBook 开源的第三方库 facebook / KVOController。

FBKVOController 对 KVO 机制进行了额外的一层封装,框架不但可以自动帮我们移除观察者,还提供了 block 或者 selector 的方式供我们进行观察处理。不可否认的是,FBKVOController 为我们的开发提供了很大的便利性。但是相对而言,这种方式对项目代码的侵入性比较大,必须依靠编码规范来强制约束团队人员使用这种方式。

那么有没有一种对项目代码侵入性小,同时还能有效防护 KVO 崩溃的防护机制呢?

网上有很多类似的方案可以参考一下。

方案一:大白健康系统 -- iOS APP运行时 Crash 自动修复系统

1. 首先为 NSObject 建立一个分类,利用 Method Swizzling,实现自定义的 BMP_addObserver:forKeyPath:options:context:、BMP_removeObserver:forKeyPath:、BMP_removeObserver:forKeyPath:context:、BMPKVO_dealloc 方法,用来替换系统原生的添加移除观察者方法的实现。

2. 然后在观察者和被观察者之间建立一个 KVODelegate 对象,两者之间通过 KVODelegate 对象 建立联系。然后在添加和移除操作时,将 KVO 的相关信息例如 observer、keyPath、options、context 保存为 KVOInfo 对象,并添加到 KVODelegate 对象 中对应 的 关系哈希表 中,对应原有的添加观察者。关系哈希表的数据结构:{keypath : [KVOInfo 对象1, KVOInfo 对象2, ... ]}

3. 在添加和移除操作的时候,利用 KVODelegate 对象 做转发,把真正的观察者变为 KVODelegate 对象,而当被观察者的特定属性发生了改变,再由 KVODelegate 对象 分发到原有的观察者上。

那么,BayMax 系统是如何避免 KVO 崩溃的呢?

1. 添加观察者时:通过关系哈希表判断是否重复添加,只添加一次。

2. 移除观察者时:通过关系哈希表是否已经进行过移除操作,避免多次移除。

3. 观察键值改变时:同样通过关系哈希表判断,将改变操作分发到原有的观察者上。

另外,为了避免被观察者提前被释放,被观察者在 dealloc 时仍然注册着 KVO 导致崩溃。BayMax 系统还利用 Method Swizzling 实现了自定义的 dealloc,在系统 dealloc 调用之前,将多余的观察者移除掉。

方案二: ValiantCat / XXShield(第三方框架)

XXShield 实现方案和 BayMax 系统类似。也是利用一个 Proxy 对象用来做转发, 真正的观察者是 Proxy,被观察者出现了通知信息,由 Proxy 做分发。不过不同点是 Proxy 里面保存的内容没有前者多。只保存了 _observed(被观察者) 和关系哈希表,这个关系哈希表中只维护了 keyPath 和 observer 的关系。

关系哈希表的数据结构:{keypath : [observer1, observer2 , ...](NSHashTable)} 。

XXShield 在 dealloc 中也做了类似将多余观察者移除掉的操作,是通过关系数据结构和 _observed ,然后调用原生移除观察者操作实现的。

方案三: JackLee18 / JKCrashProtect(第三方框架)

JKCrashProtect 相对于前两个方案来讲,看上去更加的简洁明了。他的不同点在于没有使用 delegate。而是直接在分类中建立了一个关系哈希表,用来保存 {keypath : [observer1, observer2 , ...](NSHashTable)} 的关系。

添加的时候,如果关系哈希表中与 keyPath 对应的已经有了相关的观察者,就不再进行添加。同样移除观察者的时候,也在哈希表中进行查找,如果存在 observer、keyPath 的信息,就移除掉,否则就不进行移除操作。

不过,这个框架并没有对被观察者在 dealloc 时仍然注册着 KVO ,造成崩溃的情况进行处理。

3. 我的 KVO 防护实现

参考了这几个方法的实现后,分别实现了一下之后,最终还是选择了 方案一、方案二 这两种方案的实现思路。

1. 我使用了 YSCKVOProxy 对象,在 YSCKVOProxy 对象 中使用 {keypath : [observer1, observer2 , ...](NSHashTable)} 结构的 关系哈希表 进行 observer、keyPath 之间的维护。

2. 然后利用 YSCKVOProxy 对象 对添加、移除、观察方法进行分发处理。

3. 在分类中自定义了 dealloc 的实现,移除了多余的观察者。

  • 代码如下所示:

#import "NSObject+KVODefender.h"
#import "NSObject+MethodSwizzling.h"
#import <objc/runtime.h>

// 判断是否是系统类
static inline BOOL IsSystemClass(Class cls){
BOOL isSystem = NO;
NSString *className = NSStringFromClass(cls);
if ([className hasPrefix:@"NS"] || [className hasPrefix:@"__NS"] || [className hasPrefix:@"OS_xpc"]) {
isSystem = YES;
return isSystem;
}
NSBundle *mainBundle = [NSBundle bundleForClass:cls];
if (mainBundle == [NSBundle mainBundle]) {
isSystem = NO;
}else{
isSystem = YES;
}
return isSystem;
}


#pragma mark - YSCKVOProxy 相关

@interface YSCKVOProxy : NSObject

// 获取所有被观察的 keyPaths
- (NSArray *)getAllKeyPaths;

@end

@implementation YSCKVOProxy
{
// 关系数据表结构:{keypath : [observer1, observer2 , ...](NSHashTable)}
@private
NSMutableDictionary<NSString *, NSHashTable<NSObject *> *> *_kvoInfoMap;
}

- (instancetype)init {
self = [super init];
if (self) {
_kvoInfoMap = [NSMutableDictionary dictionary];
}
return self;
}

// 添加 KVO 信息操作, 添加成功返回 YES
- (BOOL)addInfoToMapWithObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath
options:(NSKeyValueObservingOptions)options
context:(void *)context {

@synchronized (self) {
if (!observer || !keyPath ||
([keyPath isKindOfClass:[NSString class]] && keyPath.length <= 0)) {
return NO;
}

NSHashTable<NSObject *> *info = _kvoInfoMap[keyPath];
if (info.count == 0) {
info = [[NSHashTable alloc] initWithOptions:(NSPointerFunctionsWeakMemory) capacity:0];
[info addObject:observer];

_kvoInfoMap[keyPath] = info;

return YES;
}

if (![info containsObject:observer]) {
[info addObject:observer];
}

return NO;
}
}

// 移除 KVO 信息操作, 添加成功返回 YES
- (BOOL)removeInfoInMapWithObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath {

@synchronized (self) {
if (!observer || !keyPath ||
([keyPath isKindOfClass:[NSString class]] && keyPath.length <= 0)) {
return NO;
}

NSHashTable<NSObject *> *info = _kvoInfoMap[keyPath];

if (info.count == 0) {
return NO;
}

[info removeObject:observer];

if (info.count == 0) {
[_kvoInfoMap removeObjectForKey:keyPath];

return YES;
}

return NO;
}
}

// 添加 KVO 信息操作, 添加成功返回 YES
- (BOOL)removeInfoInMapWithObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath
context:(void *)context {
@synchronized (self) {
if (!observer || !keyPath ||
([keyPath isKindOfClass:[NSString class]] && keyPath.length <= 0)) {
return NO;
}

NSHashTable<NSObject *> *info = _kvoInfoMap[keyPath];

if (info.count == 0) {
return NO;
}

[info removeObject:observer];

if (info.count == 0) {
[_kvoInfoMap removeObjectForKey:keyPath];

return YES;
}

return NO;
}
}

// 实际观察者 yscKVOProxy 进行监听,并分发
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath
ofObject:(id)object
change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change
context:(void *)context {

NSHashTable<NSObject *> *info = _kvoInfoMap[keyPath];

for (NSObject *observer in info) {
@try {
[observer observeValueForKeyPath:keyPath ofObject:object change:change context:context];
} @catch (NSException *exception) {
NSString *reason = [NSString stringWithFormat:@"KVO Warning : %@",[exception description]];
NSLog(@"%@",reason);
}
}
}

// 获取所有被观察的 keyPaths
- (NSArray *)getAllKeyPaths {
NSArray <NSString *>*keyPaths = _kvoInfoMap.allKeys;
return keyPaths;
}

@end


#pragma mark - NSObject+KVODefender 分类

@implementation NSObject (KVODefender)

+ (void)load {
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{

// 拦截 `addObserver:forKeyPath:options:context:` 方法,替换自定义实现
[NSObject yscDefenderSwizzlingInstanceMethod: @selector(addObserver:forKeyPath:options:context:)
withMethod: @selector(ysc_addObserver:forKeyPath:options:context:)
withClass: [NSObject class]];

// 拦截 `removeObserver:forKeyPath:` 方法,替换自定义实现
[NSObject yscDefenderSwizzlingInstanceMethod: @selector(removeObserver:forKeyPath:)
withMethod: @selector(ysc_removeObserver:forKeyPath:)
withClass: [NSObject class]];

// 拦截 `removeObserver:forKeyPath:context:` 方法,替换自定义实现
[NSObject yscDefenderSwizzlingInstanceMethod: @selector(removeObserver:forKeyPath:context:)
withMethod: @selector(ysc_removeObserver:forKeyPath:context:)
withClass: [NSObject class]];

// 拦截 `dealloc` 方法,替换自定义实现
[NSObject yscDefenderSwizzlingInstanceMethod: NSSelectorFromString(@"dealloc")
withMethod: @selector(ysc_kvodealloc)
withClass: [NSObject class]];
});
}

static void *YSCKVOProxyKey = &YSCKVOProxyKey;
static NSString *const KVODefenderValue = @"YSC_KVODefender";
static void *KVODefenderKey = &KVODefenderKey;

// YSCKVOProxy setter 方法
- (void)setYscKVOProxy:(YSCKVOProxy *)yscKVOProxy {
objc_setAssociatedObject(self, YSCKVOProxyKey, yscKVOProxy, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

// YSCKVOProxy getter 方法
- (YSCKVOProxy *)yscKVOProxy {
id yscKVOProxy = objc_getAssociatedObject(self, YSCKVOProxyKey);
if (yscKVOProxy == nil) {
yscKVOProxy = [[YSCKVOProxy alloc] init];
self.yscKVOProxy = yscKVOProxy;
}
return yscKVOProxy;
}

// 自定义 addObserver:forKeyPath:options:context: 实现方法
- (void)ysc_addObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath
options:(NSKeyValueObservingOptions)options
context:(void *)context {

if (!IsSystemClass(self.class)) {
objc_setAssociatedObject(self, KVODefenderKey, KVODefenderValue, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN);
if ([self.yscKVOProxy addInfoToMapWithObserver:observer forKeyPath:keyPath options:options context:context]) {
// 如果添加 KVO 信息操作成功,则调用系统添加方法
[self ysc_addObserver:self.yscKVOProxy forKeyPath:keyPath options:options context:context];
} else {
// 添加 KVO 信息操作失败:重复添加
NSString *className = (NSStringFromClass(self.class) == nil) ? @"" : NSStringFromClass(self.class);
NSString *reason = [NSString stringWithFormat:@"KVO Warning : Repeated additions to the observer:%@ for the key path:'%@' from %@",
observer, keyPath, className];
NSLog(@"%@",reason);
}
} else {
[self ysc_addObserver:observer forKeyPath:keyPath options:options context:context];
}
}

// 自定义 removeObserver:forKeyPath:context: 实现方法
- (void)ysc_removeObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath
context:(void *)context {

if (!IsSystemClass(self.class)) {
if ([self.yscKVOProxy removeInfoInMapWithObserver:observer forKeyPath:keyPath context:context]) {
// 如果移除 KVO 信息操作成功,则调用系统移除方法
[self ysc_removeObserver:self.yscKVOProxy forKeyPath:keyPath context:context];
} else {
// 移除 KVO 信息操作失败:移除了未注册的观察者
NSString *className = NSStringFromClass(self.class) == nil ? @"" : NSStringFromClass(self.class);
NSString *reason = [NSString stringWithFormat:@"KVO Warning : Cannot remove an observer %@ for the key path '%@' from %@ , because it is not registered as an observer", observer, keyPath, className];
NSLog(@"%@",reason);
}
} else {
[self ysc_removeObserver:observer forKeyPath:keyPath context:context];
}
}

// 自定义 removeObserver:forKeyPath: 实现方法
- (void)ysc_removeObserver:(NSObject *)observer
forKeyPath:(NSString *)keyPath {

if (!IsSystemClass(self.class)) {
if ([self.yscKVOProxy removeInfoInMapWithObserver:observer forKeyPath:keyPath]) {
// 如果移除 KVO 信息操作成功,则调用系统移除方法
[self ysc_removeObserver:self.yscKVOProxy forKeyPath:keyPath];
} else {
// 移除 KVO 信息操作失败:移除了未注册的观察者
NSString *className = NSStringFromClass(self.class) == nil ? @"" : NSStringFromClass(self.class);
NSString *reason = [NSString stringWithFormat:@"KVO Warning : Cannot remove an observer %@ for the key path '%@' from %@ , because it is not registered as an observer", observer, keyPath, className];
NSLog(@"%@",reason);
}
} else {
[self ysc_removeObserver:observer forKeyPath:keyPath];
}

}

// 自定义 dealloc 实现方法
- (void)ysc_kvodealloc {
@autoreleasepool {
if (!IsSystemClass(self.class)) {
NSString *value = (NSString *)objc_getAssociatedObject(self, KVODefenderKey);
if ([value isEqualToString:KVODefenderValue]) {
NSArray *keyPaths = [self.yscKVOProxy getAllKeyPaths];
// 被观察者在 dealloc 时仍然注册着 KVO
if (keyPaths.count > 0) {
NSString *reason = [NSString stringWithFormat:@"KVO Warning : An instance %@ was deallocated while key value observers were still registered with it. The Keypaths is:'%@'", self, [keyPaths componentsJoinedByString:@","]];
NSLog(@"%@",reason);
}

// 移除多余的观察者
for (NSString *keyPath in keyPaths) {
[self ysc_removeObserver:self.yscKVOProxy forKeyPath:keyPath];
}
}
}
}


[self ysc_kvodealloc];
}

@end

4. 测试 KVO 防护效果

这里提供一下相关崩溃的测试代码:

/********************* KVOCrashObject.h 文件 *********************/
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface KVOCrashObject : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

/********************* KVOCrashObject.m 文件 *********************/
#import "KVOCrashObject.h"

@implementation KVOCrashObject

@end

/********************* ViewController.m 文件 *********************/
#import "ViewController.h"
#import "KVOCrashObject.h"

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) KVOCrashObject *objc;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view.

self.objc = [[KVOCrashObject alloc] init];
}

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {

// 1.1 移除了未注册的观察者,导致崩溃
[self testKVOCrash11];

// 1.2 重复移除多次,移除次数多于添加次数,导致崩溃
// [self testKVOCrash12];

// 1.3 重复添加多次,虽然不会崩溃,但是发生改变时,也同时会被观察多次。
// [self testKVOCrash13];

// 2. 被观察者 dealloc 时仍然注册着 KVO,导致崩溃
// [self testKVOCrash2];

// 3. 观察者没有实现 -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:导致崩溃
// [self testKVOCrash3];

// 4. 添加或者移除时 keypath == nil,导致崩溃。
// [self testKVOCrash4];
}

/**
1.1 移除了未注册的观察者,导致崩溃
*/
- (void)testKVOCrash11 {
// 崩溃日志:Cannot remove an observer XXX for the key path "xxx" from XXX because it is not registered as an observer.
[self.objc removeObserver:self forKeyPath:@"name"];
}

/**
1.2 重复移除多次,移除次数多于添加次数,导致崩溃
*/
- (void)testKVOCrash12 {
// 崩溃日志:Cannot remove an observer XXX for the key path "xxx" from XXX because it is not registered as an observer.
[self.objc addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:NULL];
self.objc.name = @"0";
[self.objc removeObserver:self forKeyPath:@"name"];
[self.objc removeObserver:self forKeyPath:@"name"];
}

/**
1.3 重复添加多次,虽然不会崩溃,但是发生改变时,也同时会被观察多次。
*/
- (void)testKVOCrash13 {
[self.objc addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:NULL];
[self.objc addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:NULL];
self.objc.name = @"0";
}

/**
2. 被观察者 dealloc 时仍然注册着 KVO,导致崩溃
*/
- (void)testKVOCrash2 {
// 崩溃日志:An instance xxx of class xxx was deallocated while key value observers were still registered with it.
// iOS 10 及以下会导致崩溃,iOS 11 之后就不会崩溃了
KVOCrashObject *obj = [[KVOCrashObject alloc] init];
[obj addObserver: self
forKeyPath: @"name"
options: NSKeyValueObservingOptionNew
context: nil];
}

/**
3. 观察者没有实现 -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:导致崩溃
*/
- (void)testKVOCrash3 {
// 崩溃日志:An -observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: message was received but not handled.
KVOCrashObject *obj = [[KVOCrashObject alloc] init];

[self addObserver: obj
forKeyPath: @"title"
options: NSKeyValueObservingOptionNew
context: nil];

self.title = @"111";
}

/**
4. 添加或者移除时 keypath == nil,导致崩溃。
*/
- (void)testKVOCrash4 {
// 崩溃日志: -[__NSCFConstantString characterAtIndex:]: Range or index out of bounds
KVOCrashObject *obj = [[KVOCrashObject alloc] init];

[self addObserver: obj
forKeyPath: @""
options: NSKeyValueObservingOptionNew
context: nil];

// [self removeObserver:obj forKeyPath:@""];
}


- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary*)change context:(void *)context {

NSLog(@"object = %@, keyPath = %@", object, keyPath);
}

@end

可以将示例项目 NSObject+KVODefender.m 中的 + (void)load; 方法注释掉或打开进行防护前后的测试。

经测试可以发现,成功的拦截了这几种因为 KVO 使用不当导致的崩溃。

链接:https://www.jianshu.com/p/e3713d309283

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