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轻松过面:一文全解iOS通知机制(经典收藏)

简述

本文主要是针对iOS通知机制的全面解析,从接口到原理面面俱到。同时也解决了之前写的文章阿里、字节:一套高效的iOS面试题中关于通知的问题,相信看完此文再也不怕面试官问我任何通知相关问题了

由于苹果没有对相关源码开放,所以以GNUStep源码为基础进行研究,GNUStep虽然不是苹果官方的源码,但很具有参考意义,根据实现原理来猜测和实践,更重要的还可以学习观察者模式的架构设计

问题列表

先把之前的问题列出来,详细读完本文之后,你会找到答案

  1. 实现原理(结构设计、通知如何存储的、name&observer&SEL之间的关系等)
  2. 通知的发送时同步的,还是异步的
  3. NSNotificationCenter接受消息和发送消息是在一个线程里吗?如何异步发送消息
  4. NSNotificationQueue是异步还是同步发送?在哪个线程响应
  5. NSNotificationQueuerunloop的关系
  6. 如何保证通知接收的线程在主线程
  7. 页面销毁时不移除通知会崩溃吗
  8. 多次添加同一个通知会是什么结果?多次移除通知呢
  9. 下面的方式能接收到通知吗?为什么
// 发送通知
[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self selector:@selector(handleNotification:) name:@"TestNotification" object:@1];
// 接收通知
[NSNotificationCenter.defaultCenter postNotificationName:@"TestNotification" object:nil];
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关键类结构

NSNotification

用于描述通知的类,一个NSNotification对象就包含了一条通知的信息,所以当创建一个通知时通常包含如下属性:

@interface NSNotification : NSObject <NSCopying, NSCoding>
...
/* Querying a Notification Object */

- (NSString*) name; // 通知的name
- (id) object; // 携带的对象
- (NSDictionary*) userInfo; // 配置信息

@end
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一般用于发送通知时使用,常用api如下:

- (void)postNotification:(NSNotification *)notification;
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NSNotificationCenter

这是个单例类,负责管理通知的创建和发送,属于最核心的类了。而NSNotificationCenter类主要负责三件事

  1. 添加通知
  2. 发送通知
  3. 移除通知

核心API如下:

// 添加通知
- (void)addObserver:(id)observer selector:(SEL)aSelector name:(nullable NSNotificationName)aName object:(nullable id)anObject;
// 发送通知
- (void)postNotification:(NSNotification *)notification;
- (void)postNotificationName:(NSNotificationName)aName object:(nullable id)anObject;
- (void)postNotificationName:(NSNotificationName)aName object:(nullable id)anObject userInfo:(nullable NSDictionary *)aUserInfo;
// 删除通知
- (void)removeObserver:(id)observer;

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NSNotificationQueue

功能介绍

通知队列,用于异步发送消息,这个异步并不是开启线程,而是把通知存到双向链表实现的队列里面,等待某个时机触发时调用NSNotificationCenter的发送接口进行发送通知,这么看NSNotificationQueue最终还是调用NSNotificationCenter进行消息的分发

另外NSNotificationQueue是依赖runloop的,所以如果线程的runloop未开启则无效,至于为什么依赖runloop下面会解释
 
NSNotificationQueue主要做了两件事:

  1. 添加通知到队列
  2. 删除通知

核心API如下:

// 把通知添加到队列中,NSPostingStyle是个枚举,下面会介绍
- (void)enqueueNotification:(NSNotification *)notification postingStyle:(NSPostingStyle)postingStyle;
// 删除通知,把满足合并条件的通知从队列中删除
- (void)dequeueNotificationsMatching:(NSNotification *)notification coalesceMask:(NSUInteger)coalesceMask;

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队列的合并策略和发送时机

把通知添加到队列等待发送,同时提供了一些附加条件供开发者选择,如:什么时候发送通知、如何合并通知等,系统给了如下定义

// 表示通知的发送时机
typedef NS_ENUM(NSUInteger, NSPostingStyle) {
    NSPostWhenIdle = 1, // runloop空闲时发送通知
    NSPostASAP = 2, // 尽快发送,这种情况稍微复杂,这种时机是穿插在每次事件完成期间来做的
    NSPostNow = 3 // 立刻发送或者合并通知完成之后发送
};
// 通知合并的策略,有些时候同名通知只想存在一个,这时候就可以用到它了
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, NSNotificationCoalescing) {
    NSNotificationNoCoalescing = 0, // 默认不合并
    NSNotificationCoalescingOnName = 1, // 只要name相同,就认为是相同通知
    NSNotificationCoalescingOnSender = 2  // object相同
};
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GSNotificationObserver

这个类是GNUStep源码中定义的,它的作用是代理观察者,主要用来实现接口:addObserverForName:object: queue: usingBlock:时用到,即要实现在指定队列回调block,那么GSNotificationObserver对象保存了queueblock信息,并且作为观察者注册到通知中心,等到接收通知时触发了响应方法,并在响应方法中把block抛到指定queue中执行,定义如下:

@implementation GSNotificationObserver
{
	NSOperationQueue *_queue; // 保存传入的队列
	GSNotificationBlock _block; // 保存传入的block
}
- (id) initWithQueue: (NSOperationQueue *)queue 
               block: (GSNotificationBlock)block
{
......初始化操作
}

- (void) dealloc
{
....
}
// 响应接收通知的方法,并在指定队列中执行block
- (void) didReceiveNotification: (NSNotification *)notif
{
	if (_queue != nil)
	{
		GSNotificationBlockOperation *op = [[GSNotificationBlockOperation alloc] 
			initWithNotification: notif block: _block];

		[_queue addOperation: op];
	}
	else
	{
		CALL_BLOCK(_block, notif);
	}
}

@end
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存储容器

上面介绍了一些类的功能,但是要想实现通知中心的逻辑必须设计一套合理的存储结构,对于通知的存储基本上围绕下面几个结构体来做(大致了解下,后面章节会用到),后面会详细介绍具体逻辑的

// 根容器,NSNotificationCenter持有
typedef struct NCTbl {
  Observation		*wildcard;	/* 链表结构,保存既没有name也没有object的通知 */
  GSIMapTable		nameless;	/* 存储没有name但是有object的通知	*/
  GSIMapTable		named;		/* 存储带有name的通知,不管有没有object	*/
    ...
} NCTable;

// Observation 存储观察者和响应结构体,基本的存储单元
typedef	struct	Obs {
  id		observer;	/* 观察者,接收通知的对象	*/
  SEL		selector;	/* 响应方法		*/
  struct Obs	*next;		/* Next item in linked list.	*/
  ...
} Observation;


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注册通知

正式开始“注册通知”的深入研究,注册通知有几个常用方法,但只需要研究典型的一两个就够了,原理都是一样的

目前只介绍NSNotificationCenter的注册流程,NSNotificationQueue的方式在下面章节单独拎出来解释

接口1

直接看源码(精简版便于理解)

/*
observer:观察者,即通知的接收者
selector:接收到通知时的响应方法
name: 通知name
object:携带对象
*/
- (void) addObserver: (id)observer
	    	selector: (SEL)selector
                name: (NSString*)name 
                object: (id)object {
  // 前置条件判断
  ......

  // 创建一个observation对象,持有观察者和SEL,下面进行的所有逻辑就是为了存储它
  o = obsNew(TABLE, selector, observer);
  
/*======= case1: 如果name存在 =======*/
  if (name) {
 	//-------- NAMED是个宏,表示名为named字典。以name为key,从named表中获取对应的mapTable
      n = GSIMapNodeForKey(NAMED, (GSIMapKey)(id)name);
      if (n == 0) { // 不存在,则创建 
          m = mapNew(TABLE); // 先取缓存,如果缓存没有则新建一个map
          GSIMapAddPair(NAMED, (GSIMapKey)(id)name, (GSIMapVal)(void*)m);
          ...
	  }
      else { // 存在则把值取出来 赋值给m
          m = (GSIMapTable)n->value.ptr;
	  }
 	//-------- 以object为key,从字典m中取出对应的value,其实value被MapNode的结构包装了一层,这里不追究细节
      n = GSIMapNodeForSimpleKey(m, (GSIMapKey)object);
      if (n == 0) {// 不存在,则创建 
          o->next = ENDOBS;
          GSIMapAddPair(m, (GSIMapKey)object, (GSIMapVal)o);
	  }
      else {
          list = (Observation*)n->value.ptr;
          o->next = list->next;
          list->next = o;
      }
    }
/*======= case2:如果name为空,但object不为空 =======*/
  else if (object) {
  	// 以object为key,从nameless字典中取出对应的value,value是个链表结构
      n = GSIMapNodeForSimpleKey(NAMELESS, (GSIMapKey)object);
      // 不存在则新建链表,并存到map中
      if (n == 0) { 
          o->next = ENDOBS;
          GSIMapAddPair(NAMELESS, (GSIMapKey)object, (GSIMapVal)o);
	  }
      else { // 存在 则把值接到链表的节点上
		...
	  }
    }
/*======= case3:name 和 object 都为空 则存储到wildcard链表中 =======*/
  else {
      o->next = WILDCARD;
      WILDCARD = o;
  }
}
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逻辑说明

从上面介绍的存储容器中我们了解到NCTable结构体中核心的三个变量以及功能:wildcardnamednameless,在源码中直接用宏定义表示了:WILDCARDNAMELESSNAMED,下面逻辑会用到

建议如果看文字说明觉得复杂不好理解,就看看下节介绍的存储关系图

case1: 存在name(无论object是否存在)

  1. 注册通知,如果通知的name存在,则以name为key从named字典中取出值n(这个n其实被MapNode包装了一层,便于理解这里直接认为没有包装),这个n还是个字典,各种判空新建逻辑不讨论
  2. 然后以object为key,从字典n中取出对应的值,这个值就是Observation类型(后面简称obs)的链表,然后把刚开始创建的obs对象o存储进去

数据结构关系图

这里就回答了上述问题列表的问题1的一部分,现在梳理下存储关系

image.png

如果注册通知时传入name,那么会是一个双层的存储结构

  1. 找到NCTable中的named表,这个表存储了还有name的通知
  2. name作为key,找到value,这个value依然是一个map
  3. map的结构是以object作为key,obs对象为value,这个obs对象的结构上面已经解释,主要存储了observer & SEL

case2: 只存在object

  1. object为key,从nameless字典中取出value,此value是个obs类型的链表
  2. 把创建的obs类型的对象o存储到链表中

数据结构关系图

image.png

只存在object时存储只有一层,那就是objectobs对象之间的映射

case3: 没有name和object

这种情况直接把obs对象存放在了Observation  *wildcard  链表结构中

接口2

源码

接口功能: 此接口实现的功能是在接收到通知时,在指定队列queue执行block

// 这个api使用频率较低,怎么实现在指定队列回调block的,值得研究
- (id) addObserverForName: (NSString *)name 
                   object: (id)object 
                    queue: (NSOperationQueue *)queue 
               usingBlock: (GSNotificationBlock)block
{
	// 创建一个临时观察者
	GSNotificationObserver *observer = 
		[[GSNotificationObserver alloc] initWithQueue: queue block: block];
	// 调用了接口1的注册方法
	[self addObserver: observer 
	         selector: @selector(didReceiveNotification:) 
	             name: name 
	           object: object];

	return observer;
}
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逻辑说明

这个接口依赖于接口1,只是多了一层代理观察者GSNotificationObserver,在关键类结构中已经介绍了它,设计思路值得学习

  1. 创建一个GSNotificationObserver类型的对象observer,并把queueblock保存下来
  2. 调用接口1进行通知的注册
  3. 接收到通知时会响应observerdidReceiveNotification:方法,然后在didReceiveNotification:中把block抛给指定的queue去执行

小结

  1. 从上述介绍可以总结,存储是以nameobject为维度的,即判定是不是同一个通知要从nameobject区分,如果他们都相同则认为是同一个通知,后面包括查找逻辑、删除逻辑都是以这两个为维度的,问题列表中的第九题也迎刃而解了
  2. 理解数据结构的设计是整个通知机制的核心,其他功能只是在此基础上扩展了一些逻辑
  3. 存储过程并没有做去重操作,这也解释了为什么同一个通知注册多次则响应多次

发送通知

源码

发送通知的核心逻辑比较简单,基本上就是查找和调用响应方法,核心函数如下

// 发送通知
- (void) postNotificationName: (NSString*)name
		       object: (id)object
		     userInfo: (NSDictionary*)info
{
// 构造一个GSNotification对象, GSNotification继承了NSNotification
  GSNotification	*notification;
  notification = (id)NSAllocateObject(concrete, 0, NSDefaultMallocZone());
  notification->_name = [name copyWithZone: [self zone]];
  notification->_object = [object retain];
  notification->_info = [info retain];
  
  // 进行发送操作
  [self _postAndRelease: notification];
}
//发送通知的核心函数,主要做了三件事:查找通知、发送、释放资源
- (void) _postAndRelease: (NSNotification*)notification {
    //step1: 从named、nameless、wildcard表中查找对应的通知
    ...
    //step2:执行发送,即调用performSelector执行响应方法,从这里可以看出是同步的
   	[o->observer performSelector: o->selector
                    withObject: notification];
	//step3: 释放资源
    RELEASE(notification);
}

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逻辑说明

其实上述代码注释说的很清晰了,主要做了三件事

  1. 通过name & object 查找到所有的obs对象(保存了observersel),放到数组中
  2. 通过performSelector:逐一调用sel,这是个同步操作
  3. 释放notification对象

小结

从源码逻辑可以看出发送过程的概述:从三个存储容器中:namednamelesswildcard去查找对应的obs对象,然后通过performSelector:逐一调用响应方法,这就完成了发送流程

核心点:

  1. 同步发送
  2. 遍历所有列表,即注册多次通知就会响应多次

删除通知

这里源码太长而且基本上都是查找删除逻辑,不一一列举,感兴趣的去下载源码看下吧
要注意的点:

  1. 查找时仍然以nameobject为维度的,再加上observer做区分
  2. 因为查找时做了这个链表的遍历,所以删除时会把重复的通知全都删除掉
// 删除已经注册的通知
- (void) removeObserver: (id)observer
		   name: (NSString*)name
                 object: (id)object {
  if (name == nil && object == nil && observer == nil)
      return;
      ...
}

- (void) removeObserver: (id)observer
{
  if (observer == nil)
    return;

  [self removeObserver: observer name: nil object: nil];
}
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异步通知

上面介绍的NSNotificationCenter都是同步发送的,而这里介绍关于NSNotificationQueue的异步发送,从线程的角度看并不是真正的异步发送,或可称为延时发送,它是利用了runloop的时机来触发的

入队

下面为精简版的源码,看源码的注释,基本上能明白大致逻辑

  1. 根据coalesceMask参数判断是否合并通知
  2. 接着根据postingStyle参数,判断通知发送的时机,如果不是立即发送则把通知加入到队列中:_asapQueue_idleQueue

核心点:

  1. 队列是双向链表实现
  2. 当postingStyle值是立即发送时,调用的是NSNotificationCenter进行发送的,所以NSNotificationQueue还是依赖NSNotificationCenter进行发送
/*
* 把要发送的通知添加到队列,等待发送
* NSPostingStyle 和 coalesceMask在上面的类结构中有介绍
* modes这个就和runloop有关了,指的是runloop的mode
*/ 
- (void) enqueueNotification: (NSNotification*)notification
		postingStyle: (NSPostingStyle)postingStyle
		coalesceMask: (NSUInteger)coalesceMask
		    forModes: (NSArray*)modes
{
	......
  // 判断是否需要合并通知
  if (coalesceMask != NSNotificationNoCoalescing) {
      [self dequeueNotificationsMatching: notification
			    coalesceMask: coalesceMask];
  }
  switch (postingStyle) {
      case NSPostNow: {
      	...
      	// 如果是立马发送,则调用NSNotificationCenter进行发送
	     [_center postNotification: notification];
         break;
	  }
      case NSPostASAP:
      	// 添加到_asapQueue队列,等待发送
		add_to_queue(_asapQueue, notification, modes, _zone);
		break;

      case NSPostWhenIdle:
        // 添加到_idleQueue队列,等待发送
		add_to_queue(_idleQueue, notification, modes, _zone);
		break;
    }
}
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发送通知

这里截取了发送通知的核心代码,这个发送通知逻辑如下:

  1. runloop触发某个时机,调用GSPrivateNotifyASAP()GSPrivateNotifyIdle()方法,这两个方法最终都调用了notify()方法
  2. notify()所做的事情就是调用NSNotificationCenterpostNotification:进行发送通知
static void notify(NSNotificationCenter *center, 
                   NSNotificationQueueList *list,
                   NSString *mode, NSZone *zone)
{
 	......
    // 循环遍历发送通知
    for (pos = 0; pos < len; pos++)
	{
	  NSNotification	*n = (NSNotification*)ptr[pos];

	  [center postNotification: n];
	  RELEASE(n);
	}
	......	
}
// 发送_asapQueue中的通知
void GSPrivateNotifyASAP(NSString *mode)
{
	notify(item->queue->_center,
	    item->queue->_asapQueue,
	    mode,
	    item->queue->_zone);
}
// 发送_idleQueue中的通知
void GSPrivateNotifyIdle(NSString *mode)
{
    notify(item->queue->_center,
    	item->queue->_idleQueue,
    	mode,
    	item->queue->_zone);
}

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小结

对于NSNotificationQueue总结如下

  1. 依赖runloop,所以如果在其他子线程使用NSNotificationQueue,需要开启runloop
  2. 最终还是通过NSNotificationCenter进行发送通知,所以这个角度讲它还是同步的
  3. 所谓异步,指的是非实时发送而是在合适的时机发送,并没有开启异步线程

主线程响应通知

异步线程发送通知则响应函数也是在异步线程,如果执行UI刷新相关的话就会出问题,那么如何保证在主线程响应通知呢?

其实也是比较常见的问题了,基本上解决方式如下几种:

  1. 使用addObserverForName: object: queue: usingBlock方法注册通知,指定在mainqueue上响应block
  2. 在主线程注册一个machPort,它是用来做线程通信的,当在异步线程收到通知,然后给machPort发送消息,这样肯定是在主线程处理的,具体用法去网上资料很多,苹果官网也有

总结

本文写的内容比较多,以GNUStep源码为基础进行研究,全面阐述了通知的存储、发送、异步发送等原理,对研究学习有很大帮助

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