APP 的性能优化之路是永无止境的, 这里学习一个腾讯开源用于提升本地存储效率的轻量级存储框架 MMKV
目前项目中在轻量级存储上使用的是 SharedPreferences, 虽然 SP 兼容性极好, 但 SP 的低性能一直被诟病, 线上也出现了一些因为 SP 导致的 ANR
网上有很多针对 SP 的优化方案, 这里笔者使用的是通过 Hook SP 在 Application 中的创建, 将其替换成自定义的 SP 的方式来增强性能, 但 SDK 28 以后禁止反射 QueuedWork.getHandler 接口, 这个方式就失效了
因此需要一种替代的轻量级存储方案, MMKV 便是这样的一个框架
以下介绍简单的使用方式, 更多详情请查看 Wiki
依赖注入
在 App 模块的 build.gradle 文件里添加:
dependencies {
implementation 'com.tencent:mmkv:1.0.22'
// replace "1.0.22" with any available version
}
复制代码初始化
// 设置初始化的根目录
String dir = getFilesDir().getAbsolutePath() + "/mmkv_2";
String rootDir = MMKV.initialize(dir);
Log.i("MMKV", "mmkv root: " + rootDir);
复制代码获取实例
// 获取默认的全局实例
MMKV kv = MMKV.defaultMMKV();
// 根据业务区别存储, 附带一个自己的 ID
MMKV kv = MMKV.mmkvWithID("MyID");
// 多进程同步支持
MMKV kv = MMKV.mmkvWithID("MyID", MMKV.MULTI_PROCESS_MODE);
复制代码CURD
// 添加/更新数据
kv.encode(key, value);
// 获取数据
int tmp = kv.decodeInt(key);
// 删除数据
kv.removeValueForKey(key);
复制代码SP 的迁移
private void testImportSharedPreferences() {
MMKV mmkv = MMKV.mmkvWithID("myData");
SharedPreferences old_man = getSharedPreferences("myData", MODE_PRIVATE);
// 迁移旧数据
mmkv.importFromSharedPreferences(old_man);
// 清空旧数据
old_man.edit().clear().commit();
......
}
复制代码数据测试
以下是 MMKV、SharedPreferences 和 SQLite 同步写入 1000 条数据的测试结果
// MMKV
MMKV: MMKV write int: loop[1000]: 12 ms
MMKV: MMKV read int: loop[1000]: 3 ms
MMKV: MMKV write String: loop[1000]: 7 ms
MMKV: MMKV read String: loop[1000]: 4 ms
// SharedPreferences
MMKV: SharedPreferences write int: loop[1000]: 119 ms
MMKV: SharedPreferences read int: loop[1000]: 3 ms
MMKV: SharedPreferences write String: loop[1000]: 187
MMKV: SharedPreferences read String: loop[1000]: 2 ms
// SQLite
MMKV: sqlite write int: loop[1000]: 101 ms
MMKV: sqlite read int: loop[1000]: 136 ms
MMKV: sqlite write String: loop[1000]: 29 ms
MMKV: sqlite read String: loop[1000]: 93 ms
复制代码可以看到 MMKV 无论是对比 SP 还是 SQLite, 在性能上都有非常大的优势, 官方提供的数据测试结果如下
更详细的性能测试见 wiki
了解 MMKV 的使用方式和测试结果, 让我对其实现原理产生了很大的好奇心, 接下来便看看它是如何将性能做到这个地步的, 这里对主要对 MMKV 的基本操作进行剖析
我们从初始化的流程开始分析
public class MMKV implements SharedPreferences, SharedPreferences.Editor {
// call on program start
public static String initialize(Context context) {
String root = context.getFilesDir().getAbsolutePath() + "/mmkv";
return initialize(root, null);
}
static private String rootDir = null;
public static String initialize(String rootDir, LibLoader loader) {
...... // 省略库文件加载器相关代码
// 保存根目录
MMKV.rootDir = rootDir;
// Native 层初始化
jniInitialize(MMKV.rootDir);
return rootDir;
}
private static native void jniInitialize(String rootDir);
}
复制代码MMKV 的初始化, 主要是将根目录通过 jniInitialize 传入了 Native 层, 接下来看看 Native 的初始化操作
// native-bridge.cpp
namespace mmkv {
MMKV_JNI void jniInitialize(JNIEnv *env, jobject obj, jstring rootDir) {
if (!rootDir) {
return;
}
const char *kstr = env->GetStringUTFChars(rootDir, nullptr);
if (kstr) {
MMKV::initializeMMKV(kstr);
env->ReleaseStringUTFChars(rootDir, kstr);
}
}
}
// MMKV.cpp
static unordered_map<std::string, MMKV *> *g_instanceDic;
static ThreadLock g_instanceLock;
static std::string g_rootDir;
void initialize() {
// 1.1 获取一个 unordered_map, 类似于 Java 中的 HashMap
g_instanceDic = new unordered_map<std::string, MMKV *>;
// 1.2 初始化线程锁
g_instanceLock = ThreadLock();
......
}
void MMKV::initializeMMKV(const std::string &rootDir) {
// 由 Linux Thread 互斥锁和条件变量保证 initialize 函数在一个进程内只会执行一次
// https://blog.csdn.net/zhangxiao93/article/details/51910043
static pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;
// 1. 进行初始化操作
pthread_once(&once_control, initialize);
// 2. 将根目录保存到全局变量
g_rootDir = rootDir;
// 拷贝字符串
char *path = strdup(g_rootDir.c_str());
if (path) {
// 3. 根据路径, 生成目标地址的目录
mkPath(path);
// 释放内存
free(path);
}
}
复制代码可以看到 initializeMMKV 中主要任务是初始化数据, 以及创建根目录
接下来我们看看这个目录创建的过程
// MmapedFile.cpp
bool mkPath(char *path) {
// 定义 stat 结构体用于描述文件的属性
struct stat sb = {};
bool done = false;
// 指向字符串起始地址
char *slash = path;
while (!done) {
// 移动到第一个非 "/" 的下标处
slash += strspn(slash, "/");
// 移动到第一个 "/" 下标出处
slash += strcspn(slash, "/");
done = (*slash == '\0');
*slash = '\0';
if (stat(path, &sb) != 0) {
// 执行创建文件夹的操作, C 中无 mkdirs 的操作, 需要一个一个文件夹的创建
if (errno != ENOENT || mkdir(path, 0777) != 0) {
MMKVWarning("%s : %s", path, strerror(errno));
return false;
}
}
// 若非文件夹, 则说明为非法路径
else if (!S_ISDIR(sb.st_mode)) {
MMKVWarning("%s: %s", path, strerror(ENOTDIR));
return false;
}
*slash = '/';
}
return true;
}
复制代码以上是 Native 层创建文件路径的通用代码, 逻辑很清晰
好的, 文件目录创建好了之后, Native 层的初始化操作便结束了, 接下来看看 MMKV 实例构建的过程
public class MMKV implements SharedPreferences, SharedPreferences.Editor {
@Nullable
public static MMKV mmkvWithID(String mmapID, int mode, String cryptKey, String relativePath) {
......
// 执行 Native 初始化, 获取句柄值
long handle = getMMKVWithID(mmapID, mode, cryptKey, relativePath);
if (handle == 0) {
return null;
}
// 构建一个 Java 的壳对象
return new MMKV(handle);
}
private native static long
getMMKVWithID(String mmapID, int mode, String cryptKey, String relativePath);
// jni
private long nativeHandle;
private MMKV(long handle) {
nativeHandle = handle;
}
}
复制代码可以看到 MMKV 实例构建的主要逻辑通过 getMMKVWithID 方法实现, 看它内部做了什么
// native-bridge.cpp
namespace mmkv {
MMKV_JNI jlong getMMKVWithID(
JNIEnv *env, jobject, jstring mmapID, jint mode, jstring cryptKey, jstring relativePath) {
MMKV *kv = nullptr;
if (!mmapID) {
return (jlong) kv;
}
// 获取独立存储 id
string str = jstring2string(env, mmapID);
bool done = false;
if (cryptKey) {
// 获取秘钥
string crypt = jstring2string(env, cryptKey);
if (crypt.length() > 0) {
if (relativePath) {
// 获取相对路径
string path = jstring2string(env, relativePath);
// 通过 mmkvWithID 函数获取一个 MMKV 的对象
kv = MMKV::mmkvWithID(str, DEFAULT_MMAP_SIZE, (MMKVMode) mode, &crypt, &path);
} else {
kv = MMKV::mmkvWithID(str, DEFAULT_MMAP_SIZE, (MMKVMode) mode, &crypt, nullptr);
}
done = true;
}
}
......
// 强转成句柄, 返回到 Java
return (jlong) kv;
}
}
复制代码可以看到最终通过 MMKV::mmkvWithID 函数获取到 MMKV 的对象
// MMKV.cpp
MMKV *MMKV::mmkvWithID(
const std::string &mmapID, int size, MMKVMode mode, string *cryptKey, string *relativePath) {
if (mmapID.empty()) {
return nullptr;
}
SCOPEDLOCK(g_instanceLock);
// 1. 通过 mmapID 和 relativePath, 组成最终的 mmap 文件路径的 key
auto mmapKey = mmapedKVKey(mmapID, relativePath);
// 2. 从全局缓存中查找
auto itr = g_instanceDic->find(mmapKey);
if (itr != g_instanceDic->end()) {
MMKV *kv = itr->second;
return kv;
}
// 3. 创建缓存文件
if (relativePath) {
// 根据 mappedKVPathWithID 获取 mmap 的最终文件路径
// mmapID 使用 md5 加密
auto filePath = mappedKVPathWithID(mmapID, mode, relativePath);
// 不存在则创建一个文件
if (!isFileExist(filePath)) {
if (!createFile(filePath)) {
return nullptr;
}
}
......
}
// 4. 创建实例对象
auto kv = new MMKV(mmapID, size, mode, cryptKey, relativePath);
// 5. 缓存这个 mmapKey
(*g_instanceDic)[mmapKey] = kv;
return kv;
}
复制代码mmkvWithID 函数的实现流程非常的清晰, 这里我们主要关注一下实例对象的创建流程
// MMKV.cpp
MMKV::MMKV(
const std::string &mmapID, int size, MMKVMode mode, string *cryptKey, string *relativePath)
: m_mmapID(mmapedKVKey(mmapID, relativePath))
// 拼装文件的路径
, m_path(mappedKVPathWithID(m_mmapID, mode, relativePath))
// 拼装 .crc 文件路径
, m_crcPath(crcPathWithID(m_mmapID, mode, relativePath))
// 1. 将文件摘要信息映射到内存， 4 kb 大小
, m_metaFile(m_crcPath, DEFAULT_MMAP_SIZE, (mode & MMKV_ASHMEM) ? MMAP_ASHMEM : MMAP_FILE)
......
, m_sharedProcessLock(&m_fileLock, SharedLockType)
......
, m_isAshmem((mode & MMKV_ASHMEM) != 0) {
......
// 判断是否为 Ashmem 跨进程匿名共享内存
if (m_isAshmem) {
// 创共享内存的文件
m_ashmemFile = new MmapedFile(m_mmapID, static_cast<size_t>(size), MMAP_ASHMEM);
m_fd = m_ashmemFile->getFd();
} else {
m_ashmemFile = nullptr;
}
// 根据 cryptKey 创建 AES 加解密的引擎
if (cryptKey && cryptKey->length() > 0) {
m_crypter = new AESCrypt((const unsigned char *) cryptKey->data(), cryptKey->length());
}
......
// sensitive zone
{
SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
// 2. 根据 m_mmapID 来加载文件中的数据
loadFromFile();
}
}
复制代码可以从 MMKV 的构造函数中看到很多有趣的信息, MMKV 是支持 Ashmem 共享内存的, 当我们不想将文件写入磁盘，但是又想进行跨进程通信，就可以使用 MMKV 提供的 MMAP_ASHMEM
不过这里我们主要关注两个关键点
接下来我们先看看, 文件摘要信息的映射
// MmapedFile.cpp
MmapedFile::MmapedFile(const std::string &path, size_t size, bool fileType)
: m_name(path), m_fd(-1), m_segmentPtr(nullptr), m_segmentSize(0), m_fileType(fileType) {
// 用于内存映射的文件
if (m_fileType == MMAP_FILE) {
// 1. 打开文件
m_fd = open(m_name.c_str(), O_RDWR | O_CREAT, S_IRWXU);
if (m_fd < 0) {
MMKVError("fail to open:%s, %s", m_name.c_str(), strerror(errno));
} else {
// 2. 创建文件锁
FileLock fileLock(m_fd);
InterProcessLock lock(&fileLock, ExclusiveLockType);
SCOPEDLOCK(lock);
// 获取文件的信息
struct stat st = {};
if (fstat(m_fd, &st) != -1) {
// 获取文件大小
m_segmentSize = static_cast<size_t>(st.st_size);
}
// 3. 验证文件的大小是否小于一个内存页, 一般为 4kb
if (m_segmentSize < DEFAULT_MMAP_SIZE) {
m_segmentSize = static_cast<size_t>(DEFAULT_MMAP_SIZE);
// 3.1 通过 ftruncate 将文件大小对其到内存页
// 3.2 通过 zeroFillFile 将文件对其后的空白部分用 0 填充
if (ftruncate(m_fd, m_segmentSize) != 0 || !zeroFillFile(m_fd, 0, m_segmentSize)) {
// 说明文件拓展失败了, 移除这个文件
close(m_fd);
m_fd = -1;
removeFile(m_name);
return;
}
}
// 4. 通过 mmap 将文件映射到内存, 获取内存首地址
m_segmentPtr =
(char *) mmap(nullptr, m_segmentSize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, m_fd, 0);
if (m_segmentPtr == MAP_FAILED) {
MMKVError("fail to mmap [%s], %s", m_name.c_str(), strerror(errno));
close(m_fd);
m_fd = -1;
m_segmentPtr = nullptr;
}
}
}
// 用于共享内存的文件
else {
......
}
}
复制代码MmapedFile 的构造函数处理的事务如下
好的, 通过 MmapedFile 的构造函数, 我们便能够获取到映射后的内存首地址了, 操作这块内存时 Linux 内核会负责将内存中的数据同步到文件中
比起 SP 的数据同步, mmap 显然是要优雅的多, 即使进程意外死亡, 也能够通过 Linux 内核的保护机制, 将进行了文件映射的内存数据刷入到文件中, 提升了数据写入的可靠性
结下来看看数据的载入
// MMKV.cpp
void MMKV::loadFromFile() {
......// 忽略匿名共享内存相关代码
// 若已经进行了文件映射
if (m_metaFile.isFileValid()) {
// 则获取相关数据
m_metaInfo.read(m_metaFile.getMemory());
}
// 获取文件描述符
m_fd = open(m_path.c_str(), O_RDWR | O_CREAT, S_IRWXU);
if (m_fd < 0) {
MMKVError("fail to open:%s, %s", m_path.c_str(), strerror(errno));
} else {
// 1. 获取文件大小
m_size = 0;
struct stat st = {0};
if (fstat(m_fd, &st) != -1) {
m_size = static_cast<size_t>(st.st_size);
}
// 1.1 将文件大小对其到内存页的整数倍
if (m_size < DEFAULT_MMAP_SIZE || (m_size % DEFAULT_MMAP_SIZE != 0)) {
......
}
// 2. 获取文件映射后的内存地址
m_ptr = (char *) mmap(nullptr, m_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, m_fd, 0);
if (m_ptr == MAP_FAILED) {
......
} else {
// 3. 读取内存文件的前 32 位, 获取存储数据的真实大小
memcpy(&m_actualSize, m_ptr, Fixed32Size);
......
bool loadFromFile = false, needFullWriteback = false;
if (m_actualSize > 0) {
// 4. 验证文件的长度
if (m_actualSize < m_size && m_actualSize + Fixed32Size <= m_size) {
// 5. 验证文件 CRC 的正确性
if (checkFileCRCValid()) {
loadFromFile = true;
} else {
// 若不正确, 则回调异常 CRC 异常
auto strategic = mmkv::onMMKVCRCCheckFail(m_mmapID);
if (strategic == OnErrorRecover) {
loadFromFile = true;
needFullWriteback = true;
}
}
} else {
// 回调文件长度异常
auto strategic = mmkv::onMMKVFileLengthError(m_mmapID);
if (strategic == OnErrorRecover) {
writeAcutalSize(m_size - Fixed32Size);
loadFromFile = true;
needFullWriteback = true;
}
}
}
// 6. 需要从文件获取数据
if (loadFromFile) {
......
// 构建输入缓存
MMBuffer inputBuffer(m_ptr + Fixed32Size, m_actualSize, MMBufferNoCopy);
if (m_crypter) {
// 解密输入缓冲中的数据
decryptBuffer(*m_crypter, inputBuffer);
}
// 从输入缓冲中将数据读入 m_dic
m_dic.clear();
MiniPBCoder::decodeMap(m_dic, inputBuffer);
// 构建输出数据
m_output = new CodedOutputData(m_ptr + Fixed32Size + m_actualSize,
m_size - Fixed32Size - m_actualSize);
// 进行重整回写, 剔除重复的数据
if (needFullWriteback) {
fullWriteback();
}
}
// 7. 说明文件中没有数据, 或者校验失败了
else {
SCOPEDLOCK(m_exclusiveProcessLock);
// 清空文件中的数据
if (m_actualSize > 0) {
writeAcutalSize(0);
}
m_output = new CodedOutputData(m_ptr + Fixed32Size, m_size - Fixed32Size);
// 重新计算 CRC
recaculateCRCDigest();
}
......
}
}
......
m_needLoadFromFile = false;
}
复制代码好的, 可以看到 loadFromFile 中对于 CRC 验证通过的文件, 会将文件中的数据读入到 m_dic 中缓存, 否则则会清空文件
到这里 MMKV 实例的构建就完成了, 有了 m_dic 这个内存缓存, 我们进行数据查询的效率就大大提升了
从最终的结果来看它与 SP 是一致的, 都是初次加载时会将文件中所有的数据加载到散列表中, 不过 MMKV 多了一步数据回写的操作, 因此当数据量比较大时, 对实例构建的速度有一定的影响
// 写入 1000 条数据之后, MMVK 和 SharedPreferences 实例化的时间对比
E/TAG: create MMKV instance time is 4 ms
E/TAG: create SharedPreferences instance time is 1 ms
复制代码从结果上来看, MMVK 的确在实例构造速度上有一定的劣势, 不过得益于是将 m_dic 中的数据写入到 mmap 的内存, 其真正进行文件写入的时机由 Linux 内核决定, 再加上文件的页缓存机制, 所以速度上虽有劣势, 但不至于无法接受
关于 encode 即数据的添加与更新的流程, 这里以 encodeString 为例
public class MMKV implements SharedPreferences, SharedPreferences.Editor {
public boolean encode(String key, String value) {
return encodeString(nativeHandle, key, value);
}
private native boolean encodeString(long handle, String key, String value);
}
复制代码看看 native 层的实现
// native-bridge.cpp
namespace mmkv {
MMKV_JNI jboolean encodeString(JNIEnv *env, jobject, jlong handle, jstring oKey, jstring oValue) {
MMKV *kv = reinterpret_cast<MMKV *>(handle);
if (kv && oKey) {
string key = jstring2string(env, oKey);
// 若是 value 非 NULL
if (oValue) {
// 通过 setStringForKey 函数, 将数据存入
string value = jstring2string(env, oValue);
return (jboolean) kv->setStringForKey(value, key);
}
// 若是 value 为 NULL, 则移除 key 对应的 value 值
else {
kv->removeValueForKey(key);
return (jboolean) true;
}
}
return (jboolean) false;
}
}
复制代码这里我们主要分析一下 setStringForKey 这个函数
// MMKV.cpp
bool MMKV::setStringForKey(const std::string &value, const std::string &key) {
if (key.empty()) {
return false;
}
// 1. 将数据编码成 ProtocolBuffer
auto data = MiniPBCoder::encodeDataWithObject(value);
// 2. 更新键值对
return setDataForKey(std::move(data), key);
}
复制代码这里主要分为两步操作
MMKV 采用的是 ProtocolBuffer 编码方式, 这里就不做过多介绍了, 具体请查看 Google 官方文档
// MiniPBCoder.cpp
MMBuffer MiniPBCoder::getEncodeData(const string &str) {
// 1. 创建编码条目的集合
m_encodeItems = new vector<PBEncodeItem>();
// 2. 为集合填充数据
size_t index = prepareObjectForEncode(str);
PBEncodeItem *oItem = (index < m_encodeItems->size()) ? &(*m_encodeItems)[index] : nullptr;
if (oItem && oItem->compiledSize > 0) {
// 3. 开辟一个内存缓冲区, 用于存放编码后的数据
m_outputBuffer = new MMBuffer(oItem->compiledSize);
// 4. 创建一个编码操作对象
m_outputData = new CodedOutputData(m_outputBuffer->getPtr(), m_outputBuffer->length());
// 执行 protocolbuffer 编码, 并输出到缓冲区
writeRootObject();
}
// 调用移动构造函数, 重新创建实例返回
return move(*m_outputBuffer);
}
size_t MiniPBCoder::prepareObjectForEncode(const string &str) {
// 2.1 创建 PBEncodeItem 对象用来描述待编码的条目, 并添加到 vector 集合
m_encodeItems->push_back(PBEncodeItem());
// 2.2 获取 PBEncodeItem 对象
PBEncodeItem *encodeItem = &(m_encodeItems->back());
// 2.3 记录索引位置
size_t index = m_encodeItems->size() - 1;
{
// 2.4 填充编码类型
encodeItem->type = PBEncodeItemType_String;
// 2.5 填充要编码的数据
encodeItem->value.strValue = &str;
// 2.6 填充数据大小
encodeItem->valueSize = static_cast<int32_t>(str.size());
}
// 2.7 计算编码后的大小
encodeItem->compiledSize = pbRawVarint32Size(encodeItem->valueSize) + encodeItem->valueSize;
return index;
}
复制代码可以看到, 再未进行编码操作之前, 编码后的数据大小就已经确定好了, 并且将它保存在了 encodeItem->compiledSize 中, 接下来我们看看执行数据编码并输出到缓冲区的操作流程
// MiniPBCoder.cpp
void MiniPBCoder::writeRootObject() {
for (size_t index = 0, total = m_encodeItems->size(); index < total; index++) {
PBEncodeItem *encodeItem = &(*m_encodeItems)[index];
switch (encodeItem->type) {
// 主要关心编码 String
case PBEncodeItemType_String: {
m_outputData->writeString(*(encodeItem->value.strValue));
break;
}
......
}
}
}
// CodedOutputData.cpp
void CodedOutputData::writeString(const string &value) {
size_t numberOfBytes = value.size();
......
// 1. 按照 varint 方式编码字符串长度, 会改变 m_position 的值
this->writeRawVarint32((int32_t) numberOfBytes);
// 2. 将字符串的数据拷贝到编码好的长度后面
memcpy(m_ptr + m_position, ((uint8_t *) value.data()), numberOfBytes);
// 更新 position 的值
m_position += numberOfBytes;
}
复制代码可以看到 CodedOutputData 的 writeString 中按照 protocol buffer 进行了字符串的编码操作
其中 m_ptr 是上面开辟的内存缓冲区的地址, 也就是说 writeString 执行结束之后, 数据就已经被写入缓冲区了
有了编码好的数据缓冲区, 接下来看看更新键值对的操作
// MMKV.cpp
bool MMKV::setStringForKey(const std::string &value, const std::string &key) {
// 编码数据获取存放数据的缓冲区
auto data = MiniPBCoder::encodeDataWithObject(value);
// 更新键值对
return setDataForKey(std::move(data), key);
}
bool MMKV::setDataForKey(MMBuffer &&data, const std::string &key) {
......
// 将键值对写入 mmap 文件映射的内存中
auto ret = appendDataWithKey(data, key);
// 写入成功, 更新散列数据
if (ret) {
m_dic[key] = std::move(data);
m_hasFullWriteback = false;
}
return ret;
}
bool MMKV::appendDataWithKey(const MMBuffer &data, const std::string &key) {
// 1. 计算 key + value 的 ProtocolBuffer 编码后的长度
size_t keyLength = key.length();
size_t size = keyLength + pbRawVarint32Size((int32_t) keyLength);
size += data.length() + pbRawVarint32Size((int32_t) data.length());
SCOPEDLOCK(m_exclusiveProcessLock);
// 2. 验证是否有足够的空间, 不足则进行数据重整与扩容操作
bool hasEnoughSize = ensureMemorySize(size);
if (!hasEnoughSize || !isFileValid()) {
return false;
}
// 3. 更新文件头的数据总大小
writeAcutalSize(m_actualSize + size);
// 4. 将 key 和编码后的 value 写入到文件映射的内存
m_output->writeString(key);
m_output->writeData(data);
// 5. 获取文件映射内存当前 <key, value> 的起始位置
auto ptr = (uint8_t *) m_ptr + Fixed32Size + m_actualSize - size;
if (m_crypter) {
// 加密这块区域
m_crypter->encrypt(ptr, ptr, size);
}
// 6. 更新 CRC
updateCRCDigest(ptr, size, KeepSequence);
return true;
}
复制代码好的, 可以看到更新键值对的操作还是比较复杂的, 首先将键值对数据写入到文件映射的内存中, 写入成功之后更新散列数据
关于写入到文件映射的过程, 上面代码中的注释也非常的清晰, 接下来我们 ensureMemorySize 是如何进行数据的重整与扩容的
数据的重整与扩容
// MMKV.cpp
bool MMKV::ensureMemorySize(size_t newSize) {
......
// 计算新键值对的大小
constexpr size_t ItemSizeHolderSize = 4;
if (m_dic.empty()) {
newSize += ItemSizeHolderSize;
}
// 数据重写:
// 1. 文件剩余空闲空间少于新的键值对
// 2. 散列为空
if (newSize >= m_output->spaceLeft() || m_dic.empty()) {
// 计算所需的数据空间
static const int offset = pbFixed32Size(0);
MMBuffer data = MiniPBCoder::encodeDataWithObject(m_dic);
size_t lenNeeded = data.length() + offset + newSize;
if (m_isAshmem) {
......
} else {
//
// 计算每个键值对的平均大小
size_t avgItemSize = lenNeeded / std::max<size_t>(1, m_dic.size());
// 计算未来可能会使用的大小(类似于 1.5 倍)
size_t futureUsage = avgItemSize * std::max<size_t>(8, (m_dic.size() + 1) / 2);
// 1. 所需空间 >= 当前文件总大小
// 2. 所需空间的 1.5 倍 >= 当前文件总大小
if (lenNeeded >= m_size || (lenNeeded + futureUsage) >= m_size) {
// 扩容为 2 倍
size_t oldSize = m_size;
do {
m_size *= 2;
} while (lenNeeded + futureUsage >= m_size);
.......
}
}
......
// 进行数据的重写
writeAcutalSize(data.length());
......
}
return true;
}
复制代码从上面的代码我们可以了解到
至此 encode 的流程我们就走完了, 回顾一下整个 encode 的流程
通过 encode 的分析, 我们得知 MMKV 文件的存储方式如下
接下来看看 decode 的流程
decode 的过程同样以 decodeString 为例
// native-bridge.cpp
MMKV_JNI jstring
decodeString(JNIEnv *env, jobject obj, jlong handle, jstring oKey, jstring oDefaultValue) {
MMKV *kv = reinterpret_cast<MMKV *>(handle);
if (kv && oKey) {
string key = jstring2string(env, oKey);
// 通过 getStringForKey, 将数据输出到传出参数中 value 中
string value;
bool hasValue = kv->getStringForKey(key, value);
if (hasValue) {
return string2jstring(env, value);
}
}
return oDefaultValue;
}
// MMKV.cpp
bool MMKV::getStringForKey(const std::string &key, std::string &result) {
if (key.empty()) {
return false;
}
SCOPEDLOCK(m_lock);
// 1. 从内存缓存中获取数据
auto &data = getDataForKey(key);
if (data.length() > 0) {
// 2. 解析 data 对应的 ProtocolBuffer 数据
result = MiniPBCoder::decodeString(data);
return true;
}
return false;
}
const MMBuffer &MMKV::getDataForKey(const std::string &key) {
// 从散列表中获取 key 对应的 value
auto itr = m_dic.find(key);
if (itr != m_dic.end()) {
return itr->second;
}
static MMBuffer nan(0);
return nan;
}
复制代码好的可以看到 decode 的流程比较简单, 先从内存缓存中获取 key 对应的 value 的 ProtocolBuffer 内存区域, 再解析这块内存区域, 从中获取真正的 value 值
看到这里可能会有一个疑问, 为什么 m_dic 不直接存储 key 和 value 原始数据呢, 这样查询效率不是更快吗?
从图上的结果可以看出, MMKV 的读取性能时略低于 SharedPreferences 的, 这里笔者给出自己的思考
既然 m_dic 还承担着方便数据复写的功能, 那能否再添加一个内存缓存专门用于存储原始的 value 呢?
说起进程间读写同步, 我们很自然的想到 Linux 的信号量, 但是这种方式有一个弊端, 那就是当持有锁的进程意外死亡的时候, 并不会释放其拥有的信号量, 若多进程之间存在竞争, 那么阻塞的进程将不会被唤醒, 这是非常危险的
MMKV 是采用 文件锁 的方式来进行进程间的同步操作
接下来我看看 MMKV 加解锁的操作
MMKV::MMKV(
const std::string &mmapID, int size, MMKVMode mode, string *cryptKey, string *relativePath)
: m_mmapID(mmapedKVKey(mmapID, relativePath))
// 创建文件锁的描述
, m_fileLock(m_metaFile.getFd())
// 描述共享锁
, m_sharedProcessLock(&m_fileLock, SharedLockType)
// 描述排它锁
, m_exclusiveProcessLock(&m_fileLock, ExclusiveLockType)
// 判读是否为进程间通信
, m_isInterProcess((mode & MMKV_MULTI_PROCESS) != 0 || (mode & CONTEXT_MODE_MULTI_PROCESS) != 0)
, m_isAshmem((mode & MMKV_ASHMEM) != 0) {
......
// 根据是否跨进程操作判断共享锁和排它锁的开关
m_sharedProcessLock.m_enable = m_isInterProcess;
m_exclusiveProcessLock.m_enable = m_isInterProcess;
// sensitive zone
{
// 文件读操作, 启用了文件共享锁
SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
loadFromFile();
}
}
复制代码可以看到在我们前面分析过的构造函数中, MMKV 对文件锁进行了初始化, 并且创建了共享锁和排它锁, 并在跨进程操作时开启, 当进行读操作时, 启动了共享锁
bool MMKV::fullWriteback() {
......
auto allData = MiniPBCoder::encodeDataWithObject(m_dic);
// 启动了排它锁
SCOPEDLOCK(m_exclusiveProcessLock);
if (allData.length() > 0) {
if (allData.length() + Fixed32Size <= m_size) {
if (m_crypter) {
m_crypter->reset();
auto ptr = (unsigned char *) allData.getPtr();
m_crypter->encrypt(ptr, ptr, allData.length());
}
writeAcutalSize(allData.length());
delete m_output;
m_output = new CodedOutputData(m_ptr + Fixed32Size, m_size - Fixed32Size);
m_output->writeRawData(allData); // note: don't write size of data
recaculateCRCDigest();
m_hasFullWriteback = true;
return true;
} else {
// ensureMemorySize will extend file & full rewrite, no need to write back again
return ensureMemorySize(allData.length() + Fixed32Size - m_size);
}
}
return false;
}
复制代码在进行数据回写的函数中, 启动了排它锁
其进程同步读写的性能表现如下
可以看到进程同步读写的效率也是非常 nice 的
关于跨进程同步就介绍到这里, 当然 MMKV 的文件锁并没有表面上那么简单, 因为文件锁为状态锁, 无论加了多少次锁, 一个解锁操作就全解除, 显然无法应对子函数嵌套调用的问题, MMKV 内部通过了自行实现计数器来实现锁的可重入性, 更多的细节可以查看 wiki
通过上面的分析, 我们对 MMKV 有了一个整体上的把控, 其具体的表现如下所示
| 项目 | 评价 | 描述 |
|---|---|---|
| 正确性 | 优 | 支持多进程安全, 使用 mmap, 由操作系统保证数据回写的正确性 |
| 时间开销 | 优 | 使用 mmap 实现, 减少了用户空间数据到内核空间的拷贝 |
| 空间开销 | 中 | 使用 protocl buffer 存储数据, 同样的数据会比 xml 和 json 消耗空间小 使用的是数据追加到末尾的方式, 只有到达一定阈值之后才会触发键值合并, 不合并之前会导致同一个 key 存在多份 |
| 安全 | 中 | 使用 crc 校验, 甄别文件系统和操作系统不稳定导致的异常数据 |
| 开发成本 | 优 | 使用方式较为简单 |
| 兼容性 | 优 | 各个安卓版本都前后兼容 |
虽然 MMKV 一些场景下比 SP 稍慢(如: 首次实例化会进行数据的复写剔除重复数据, 比 SP 稍慢, 查询数据时存在 ProtocolBuffer 解码, 比 SP 稍慢), 但其逆天的数据写入速度、mmap Linux 内核保证数据的同步, 以及 ProtocolBuffer 编码带来的更小的本地存储空间占用等都是非常棒的闪光点