前言
当一个 Javascript 程序需要在浏览器端存储数据时，你有以下几个选择：
- Cookie：通常用于 HTTP 请求，并且有 64 kb 的大小限制。
- LocalStorage：存储 key-value 格式的键值对，通常有 5MB 的限制。
- WebSQL：并不是 HTML5 标准，已被废弃。
- FileSystem & FileWriter API：兼容性极差，目前只有 Chrome 浏览器支持。
- IndexedDB：是一个 NOSQL 数据库，可以异步操作，支持事务，可存储 JSON 数据并且用索引迭代，兼容性好。
很明显，只有 IndexedDB 适用于做大量的数据存储。但是直接使用 IndexedDB 也会碰到几个问题：
- IndexedDB API 基于事务，偏向底层，操作繁琐，需要简化封装。
- IndexedDB 性能瓶颈主要在哪儿？
- IndexedDB 在 浏览器多 tab 页的情况下可能会对同一条数据记录进行多次操作。
本篇文章将结合笔者的实践经验，就以上问题来进行相关探索。
Log 日志存储场景
有这样一个场景，客户端产生大量的日志并存放若干日志。在发生某些错误时（或者长连接得到服务器的指令时）可拉取本地全部日志内容并发请求上报。
如图所示：
这是一个很好的设计到了 IndexedDB CRUD 场景的操作，在这里，我们只关注 IndexedDB 存储这部分。有关于 IndexedDB 的基础概念，如仓库 IDBObjectStore、索引 IDBIndex、游标 IDBCursor、事务 IDBTransaction，限于篇幅请参照 IndexedDB-MDN
创建数据库
我们知道 IndexedDB 是事务驱动的，打开一个数据库 db_test，创建 store log，并以 time 为索引。
class Database {
constructor(options = {}) {
if (typeof indexedDB === 'undefined') {
throw new Error('indexedDB is unsupported!')
return
}
this.name = options.name
this.db = null
this.version = options.version || 1
}
createDB () {
return new Promise((resolve, reject) => {
// 为了本地调试，数据库先删除后建立
indexedDB.deleteDatabase(this.name);
const request = indexedDB.open(this.name);
// 当数据库升级时，触发 onupgradeneeded 事件。
// 升级是指该数据库首次被创建，或调用 open() 方法时指定的数据库的版本号高于本地已有的版本。
request.onupgradeneeded = () => {
const db = request.result;
window.db = db
console.log('db onupgradeneeded')
// 在这里创建 store
this.createStore(db)
};
// 打开成功的回调函数
request.onsuccess = () => {
resolve(request.result)
this.db = request.result
};
// 打开失败的回调函数
request.onerror = function(event) {
reject(event)
}
})
}
createStore(db) {
if (!db.objectStoreNames.contains('log')) {
// 创建表
const objectStore = db.createObjectStore('log', {
keyPath: 'id',
autoIncrement: true
});
// time 为索引
objectStore.createIndex('time', 'time');
}
}
}调用语句如下：
(async function() {
const database = new Database({ name: 'db_test' })
await database.createDB()
console.log(database)
// Database {name: 'db_test', db: IDBDatabase, version: 1}
// db: IDBDatabase
// name: "db_test"
// objectStoreNames: DOMStringList {0: 'log', length: 1}
// onabort: null
// onclose: null
// onerror: null
// onversionchange: null
// version: 1
// [[Prototype]]: IDBDatabase
// name: "db_test"
// version: 1
// [[Prototype]]: Object
})()
增删改操作
当日志插入一条数据，我们需要提交一个事务，事务里对 store 进行 add 操作。
const db = window.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
const storeRequest = store.add(data);
storeRequest.onsuccess = function(event) {
console.log('add onsuccess, affect rows ', event.target.result);
resolve(event.target.result)
};
storeRequest.onerror = function(event) {
reject(event);
};由于每次的增删改查都需要打开一个 transaction，这样的调用不免显得繁琐，我们需要一些步骤来简化，提供 ES6 promise 形式的 API。
class Database {
// ... 省略打开数据库的过程
// constructor(options = {}) {}
// createDB() {}
// createStore() {}
add (data) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
const request = store.add(data);
request.onsuccess = event => resolve(event.target.result);
request.onerror = event => reject(event);
})
}
put (data) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
const request = store.put(data);
request.onsuccess = event => resolve(event.target.result);
request.onerror = event => reject(event);
})
}
// delete
delete (id) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
const request = store.delete(id)
request.onsuccess = event => resolve(event.target.result);
request.onerror = event => reject(event);
})
}
}调用代码如下：
(async function() {
const db = new Database({ name: 'db_test' })
await db.createDB()
const row1 = await db.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 1' })
// {id: 1, time: new Date().getTime(), body: 'log 2' }
await db.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 2' })
await db.put({id: 1, time: new Date().getTime(), body: 'log AAAA' })
await db.delete(1)
})()
查询
查询有很多种情况，常见的 ORM 里提供范围查询和索引查询两种方法，范围查询中还可以分页查询。在 IndexedDB 中我们简化为 getByIndex。
查询需要使用到 IDBCursor 游标和 IDBIndex 索引。
class Database {
// ... 省略打开数据库的过程
// constructor(options = {}) {}
// createDB() {}
// createStore() {}
// 查询第一个 value 相匹对的值
get (value, indexName) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
let request
// 有索引则打开索引来查找，无索引则当作主键查找
if (indexName) {
let index = store.index(indexName);
request = index.get(value)
} else {
request = store.get(value)
}
request.onsuccess = evt => evt.target.result ?
resolve(evt.target.result) : resolve(null)
request.onerror = evt => reject(evt)
});
}
/**
* 条件查询，带分页
*
* @param {string} keyPath 索引名称
* @param {string} keyRange 索引对象
* @param {number} offset 分页偏移量
* @param {number} limit 分页页码
*/
getByIndex (keyPath, keyRange, offset = 0, limit = 100) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readonly')
const store = transaction.objectStore('log')
const index = store.index(keyPath)
let request = index.openCursor(keyRange)
const result = []
request.onsuccess = function (evt) {
let cursor = evt.target.result
// 偏移量大于 0，代表需要跳过一些记录
if (offset > 0) {
cursor.advance(offset);
}
if (cursor && limit > 0) {
console.log(1)
result.push(cursor.value)
limit = limit - 1
cursor.continue()
} else {
cursor = null
resolve(result)
}
}
request.onerror = function (evt) {
console.err('getLogByIndex onerror', evt)
reject(evt.target.error)
}
transaction.onerror = function(evt) {
reject(evt.target.error)
};
})
}
}
(async function() {
const db = new Database({ name: 'db_test' })
await db.createDB()
await db.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 1' })
// {id: 1, time: new Date().getTime(), body: 'log 2' }
await db.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 2' })
const time = new Date().getTime()
await db.put({id: 1, time: time, body: 'log AAAA' })
await db.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 3' })
// 查询最小是这个时间的的记录
const test = await db.getByIndex('time', IDBKeyRange.lowerBound(time))
// multi index query
// await db.getByIndex('time, test_id', IDBKeyRange.bound([0, 99],[Date.now(), 2100]);)
console.log(test)
// 0: {id: 1, time: 1648453268858, body: 'log AAAA'}
// 1: {time: 1648453268877, body: 'log 3', id: 3}
})()查询当然还有更多可能，比如查询一张表全部的数据，或者是 count 获取这张表的记录数量等，留待读者们自行扩展。
优化
我们需要将 Model 和 Database 拆开来，上文 createDB 的时候做一些改进，类似 ORM 一样提供映射，以及基础的增删改查方法。
class Database {
constructor(options = {}) {
if (typeof indexedDB === 'undefined') {
throw new Error('indexedDB is unsupported!')
}
this.name = options.name
this.db = null
this.version = options.version || 1
// this.upgradeFunction = option.upgradeFunction || function () {}
this.modelsOptions = options.modelsOptions
this.models = {}
}
createDB () {
return new Promise((resolve, reject) => {
indexedDB.deleteDatabase(this.name);
const request = indexedDB.open(this.name);
// 当数据库升级时，触发 onupgradeneeded 事件。升级是指该数据库首次被创建，或调用 open() 方法时指定的数据库的版本号高于本地已有的版本。
request.onupgradeneeded = () => {
const db = request.result;
console.log('db onupgradeneeded')
Object.keys(this.modelsOptions).forEach(key => {
this.models[key] = new Model(db, key, this.modelsOptions[key])
})
};
// 打开成功
request.onsuccess = () => {
console.log('db open onsuccess')
console.log('addLog, deleteLog, clearLog, putLog, getAllLog, getLog')
resolve(request.result)
this.db = request.result
};
// 打开失败
request.onerror = function(event) {
console.log('db open onerror', event);
reject(event)
}
})
}
}
class Model {
constructor(database, tableName, options) {
this.db = database
this.tableName = tableName
if (!this.db.objectStoreNames.contains(tableName)) {
const objectStore = this.db.createObjectStore(tableName, {
keyPath: options.keyPath,
autoIncrement: options.autoIncrement || false
});
options.index && Object.keys(options.index).forEach(key => {
objectStore.createIndex(key, options.index[key]);
})
}
}
add(data) {
// ... 省略上文的 add 函数
}
delete(id) {
// ... 省略
}
put(data) {
// ... 省略
}
getByIndex(keyPath, keyRange) {
// ... 省略
}
get(indexName, value) {
// ... 省略
}
}调用如下：
(async function() {
const db = new Database({
name: 'db_test',
modelsOptions: {
log: {
keyPath: 'id',
autoIncrement: true,
rows: {
id: 'number',
time: 'number',
body: 'string',
},
index: {
time: 'time'
}
}
}
})
await db.createDB()
await db.models.log.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 1' })
await db.models.log.add({time: new Date().getTime(), body: 'log 2' })
await db.models.log.get(null, 1)
const time = new Date().getTime()
await db.models.log.put({id: 1, time: time, body: 'log AAAA' })
await db.models.log.getByIndex('time', IDBKeyRange.only(time))
})()当然这只是一个很简陋的模型，它还有一些不足。比如查询时，开发者调用时不需要接触 IDBKeyRange，类似是 sequelize 风格的，映射为 time: { $gt: new Date().getTime() }，用 $gt 来替代 IDBKeyRange.lowerbound。
批量操作
值得一提的，IndexedDB 的操作性能和提交给它的事务多少有着紧密的关系，推荐尽可能使用批量插入。
批量操作，可以采取事件委托来避免产生许多的 request 的 onsuccess、onerror 事件。
class Model {
// ... 省略 construct
bulkPut(datas) {
if (!(datas && datas.length > 0)) {
return Promise.reject(new Error('no data'))
}
return new Promise((resolve, reject) => {
const db = this.db;
const transaction = db.transaction('log', 'readwrite')
const store = transaction.objectStore('log')
datas.forEach(data => store.put(data))
// Event delegation
// IndexedDB events bubble: request → transaction → database.
transaction.oncomplete = function() {
console.log('add transaction complete');
resolve()
};
transaction.onabort = function (evt) {
console.error('add transaction onabort', evt);
reject(evt.target.error)
}
})
}
}性能探索
IndexedDB 的插入耗时与提交给它的事务数量有显著的关联。我们设置一组对照实验：
- 提交 1000 个事务，每个事务插入 1 条数据。
- 提交 1 个事务，事务中插入 1000 条数据。
测试代码如下：
const promises = []
for (let index = 0; index < 1000; index++) {
promises.push(db.models.log.add({time: new Date().getTime(), body: `log ${index}` }))
}
console.time('promises')
Promise.all(promises).then(() => {
console.timeEnd('promises')
})
// promises: 20837.403076171875 msconst arr = []
for (let index = 0; index < 1000; index++) {
arr.push({time: new Date().getTime(), body: `log ${index}` })
}
console.time('promises')
await db.models.log.bulkPut(arr)
console.timeEnd('promises')
// promises: 250.491943359375 ms减少事务提交非常重要，以至于需要有大量存入的操作时，都推荐日志在内存中尽可能合并下，再批量写入。
值得一提的是，body 在上面的对照实验中只写入了个位数的字符，假设每次写 5000 个字符，批量写入的时间也只是从 250ms 提升到 300ms，提升的并不明显。
让我们再来对比一组情况，我们会提交 1 个事务，插入 1000 条数据，在 0 到 500 万存量数据间进行测试，我们得到以下数据：
for (let i = 0; i < 10000; i++) {
let date = new Date()
let datas = []
for (let j = 0; j < 1000; j++) {
datas.push({ time: new Date().getTime(), body: `log ${j}`})
}
await db.models.log.bulkPut(datas)
datas = []
if (i === 10 || i === 50
|| i === 100 || i === 500 || i === 1000 || i === 2000
|| i === 5000) {
console.warn(`success for bulkPut ${i}: `, new Date() - date)
} else {
console.log(`success for bulkPut ${i}: `, new Date() - date)
}
}
// success for bulkPut 10: 283
// success for bulkPut 50: 310
// success for bulkPut 100: 302
// success for bulkPut 500: 296
// success for bulkPut 1000: 290
// success for bulkPut 2000: 150
// success for bulkPut 5000: 201上文数据表明波动并不大，给出结论在 500w 的数据范围内，插入耗时没有明显的提升。当然查询取决的因素更多，其耗时留待读者们自行验证。
多 tab 操作相同数据的情况
对于 IndexedDB 来说，它只负责接收一个又一个的事务进行处理，而不管这些事务是从哪个 tab 页提交来的，就可能会产生多个 tab 页的 JS 程序往数据库里试图操作同一条数据的情况。
拿我们的 db 来举例，若我们修改创建 store 时的索引 time 为：
objectStore.createIndex('time', 'time', { unique: true });
同时打开 3 个 tab，每个 tab 都是每 20ms 往数据库里写入一份数据，大概率会出现 error，解决这个问题的理想方法是 SharedWorker API， SharedWorker 类似于 WebWorker，不同点在于 SharedWorker 可以在多个上下文之间共享。我们可以在 SharedWorker 中创建数据库，所有浏览器的 tab 都可以向 Worker 请求数据，而不是自己建立数据库连接。
遗憾的是 SharedWorker API 在 Safari 中无法支持，没有 polyfill。作为取代，我们可以使用 BroadcastChannel API，他可以在多 tab 间通信，选举出一个 leader，允许 leader 拥有写入数据库的能力，而其他 tab 只能读不能写。
下面是一个 leader 选举过程的简单代码，参照自 broadcast-channel。
class LeaderElection {
constructor(name) {
this.channel = new BroadcastChannel(name)
// 是否已经存在 leader
this.hasLeader = false
// 是否自己作为 leader
this.isLeader = false
// token 数，用于无 leader 时同时有多个 apply 的情况，来比对 maxTokenNumber 确定最大的作为 leader
this.tokenNumber = Math.random()
// 最大的 token，用于无 leader 时同时有多个 apply 的情况，来选举一个最大的作为 leader
this.maxTokenNumber = 0
this.channel.onmessage = (evt) => {
console.log('channel onmessage', evt.data)
const action = evt.data.action
switch (action) {
// 收到申请拒绝，或者是其他人已成为 leader 的宣告，则标记 this.hasLeader = true
case 'applyReject':
this.hasLeader = true
break;
case 'leader':
// todo， 可能会产生另一个 leader
this.hasLeader = true
break;
// leader 已死亡，则需要重新推举
case 'death':
this.hasLeader = false
this.maxTokenNumber = 0
// this.awaitLeadership()
break;
// leader 已死亡，则需要重新推举
case 'apply':
if (this.isLeader) {
this.postMessage('applyReject')
} else if (this.hasLeader) {
} else if (evt.data.tokenNumber > this.maxTokenNumber) {
// 还没有 leader 时，若自己 tokenNumber 比较小，那么记录 maxTokenNumber，
// 将在 applyOnce 的过程中，撤销成为 leader 的申请。
this.maxTokenNumber = evt.data.tokenNumber
}
break;
default:
break;
}
}
}
awaitLeadership() {
return new Promise((resolve) => {
const intervalApply = () => {
return this.sleep(4000)
.then(() => {
return this.applyOnce()
})
.then(() => resolve())
.catch(() => intervalApply())
}
this.applyOnce()
.then(() => resolve())
.catch(err => intervalApply())
})
}
applyOnce(timeout = 1000) {
return this.postMessage('apply').then(() => this.sleep(timeout))
.then(() => {
if (this.isLeader) {
return
}
if (this.hasLeader === true || this.maxTokenNumber > this.tokenNumber) {
throw new Error()
}
return this.postMessage('apply').then(() => this.sleep(timeout))
})
.then(() => {
if (this.isLeader) {
return
}
if (this.hasLeader === true || this.maxTokenNumber > this.tokenNumber) {
throw new Error()
}
// 两次尝试后无人阻止，晋升为 leader
this.beLeader()
})
}
beLeader () {
this.postMessage('leader')
this.isLeader = true
this.hasLeader = true
clearInterval(this.timeout)
window.addEventListener('beforeunload', () => this.die());
window.addEventListener('unload', () => this.die());
}
die () {
this.isLeader = false
this.hasLeader = false
this.postMessage('death')
}
postMessage(action) {
return new Promise((resolve) => {
this.channel.postMessage({
action,
tokenNumber: this.tokenNumber
})
resolve()
})
}
sleep(time) {
if (!time) time = 0;
return new Promise(res => setTimeout(res, time));
}
}调用代码如下：
const elector = new LeaderElection('test_channel')
window.elector = elector
elector.awaitLeadership().then(() => {
document.title = 'leader!'
})
效果如 broadcast-channel 这样:
总结
在浏览器中离线存放大量数据，我们目前只能使用 IndexedDB，使用 IndexedDB 会碰到几个问题：
- IndexedDB API 基于事务，偏向底层，操作繁琐，需要做个封装。
- IndexedDB 性能最大的瓶颈在于事务数量，使用时注意减少事务的提交。
- IndexedDB 并不在意事务是从哪个 tab 页提交，浏览器多 tab 页的情况下可能会对同一条数据记录进行多次操作，可以选举一个 leader 才允许写入，规避这个问题。
本仓库使用代码见 github：https://github.com/everlose/i...
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