iOS-持久化

目的

1.快速展示，提升体验

• 已经加载过的数据，用户下次查看时，不需要再次从网络（磁盘）加载，直接展示给用户

2.节省用户流量（节省服务器资源）

• 对于较大的资源数据进行缓存，下次展示无需下载消耗流量
• 同时降低了服务器的访问次数，节约服务器资源。（图片）

3.离线使用。

• 用户浏览过的数据无需联网，可以再次查看。
• 部分功能使用解除对网络的依赖。（百度离线地图、图书阅读器）
• 无网络时，允许用户进行操作，等到下次联网时同步到服务端。

4.记录用户操作

• 草稿：对于用户需要花费较大成本进行的操作，对用户的每个步骤进行缓存，用户中断操作后，下次用户操作时直接继续上次的操作。
• 已读内容标记缓存，帮助用户识别哪些已读。
• 搜索记录缓存

方法

NSUserDefault 简单数据快速读写
Property list (属性列表)文件存储
Archiver (归档)
SQLite本地数据库
CoreData

数据持久化方式分类

内存缓存

• 定义

对于使用频率比较高的数据，从网络或者磁盘加载数据到内存以后，使用后并不马上销毁，下次使用时直接从内存加载。

• 案例

iOS系统图片加载——[UIImage imageNamed:@“imageName”]
网络图片加载三方库：SDWebImage

磁盘缓存

• 定义

将从网络加载的、用户操作产生的数据写入到磁盘，用户下次查看、继续操作时，直接从磁盘加载使用。

• 案例

用户输入内容草稿缓存（如：评论、文本编辑）
网络图片加载三方库：SDWebImage
搜索历史缓存

缓存策略(常见缓存算法)

FIFO（First in First Out）

实现原理
FIFO 先进先出的核心思想如果一个数据最先进入缓存中，则应该最早淘汰掉。类似实现一个按照时间先后顺序的队列来管理缓存，将淘汰最早访问的数据缓存。

缺点

没有考虑时间最近和访问频率对缓存命中率的影响。对于用户较高概率访问最近访问数据的情况，命中率会比较低。

LFU（Least Frequently Used）

实现原理
LFU 最近最少使用算法是基于“如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小”的思路。记录用户对数据的访问次数，将访问次数多的数据降序排列在一个容器中，淘汰访问次数最少的数据。

缺点
LFU仅维护各项的被访问频率信息,对于某缓存项,如果该项在过去有着极高的访问频率而最近访问频率较低,当缓存空间已满时该项很难被从缓存中替换出来,进而导致命中率下降。

LRU (LeastRecentlyUsed)

实现原理：

LRU 是一种应用广泛的缓存算法。该算法维护一个缓存项队列,队列中的缓存项按每项的最后被访问时间排序。当缓存空间已满时,将处于队尾,即删除最后一次被访问时间距现在最久的项,将新的区段放入队列首部。

缺点
LRU算法仅维护了缓存块的访问时间信息，没有考虑被访问频率等因素，当存在热点数据时，LRU的效率很好，但偶发性的、周期性的批量操作会导致LRU命中率急剧下降。例如对于VoD（视频点播）系统，用户已经访问过的数据不会重复访问等场景。

LRU-K (LeastRecentlyUsed)

实现原理：
相比LRU，其核心思想是将“最近使用过1次”的判断标准扩展为“最近使用过K次”。具体来说它多维护一个队列，记录所有缓存数据被访问的历史。仅当数据的访问次数达到K次的时候，才将数据放入缓存。当需要淘汰数据时，LRU-K会淘汰第K次访问时间距当前时间最大的数据。

缺点
需要额外的空间来存储访问历史，维护两个队列增加了算法的复杂度，提升了CPU等消耗。

2Q（Two queues）

实现原理：

2Q算法类似于LRU-2，不同点在于2Q将LRU-2算法中的访问历史队列（注意这不是缓存数据的）改为一个FIFO缓存队列，即：2Q算法有两个缓存队列，一个是FIFO队列，一个是LRU队列。

缺点
需要两个队列，但两个队列本身都比较简单，2Q算法和LRU-2算法命中率、内存消耗都比较接近，但对于最后缓存的数据来说，2Q会减少一次从原始存储读取数据或者计算数据的操作。

MQ（Multi Queue）

实现原理：

MQ算法根据优先级（访问频率）将数据划分为多个LRU队列，其核心思想是：优先缓存访问次数多的数据。

缺点
多个队列需要额外的空间来存储缓存，维护多个队列增加了算法的复杂度，提升了CPU等消耗。

iOS端可供选择的数据持久化方案

内存缓存

实现内存缓存的技术手段包括苹果官方提供的NSURLCache，NSCache，还有性能和API上比较有优势的开源缓存库YYCache、PINCache等。

磁盘缓存

• NSUserDefault

适合小规模数据，弱业务相关数据的缓存。

• keychain

Keychain是苹果提供的带有可逆加密的存储机制，普遍用在各种存用户名、密码的需求上。另外，Keychain是系统级存储，还可以被iCloud同步，即使App被删除，Keychain数据依然保留，用户下次安装App，可以直接读取，通常会用来存储用户唯一标识串。所以需要加密、同步iCloud的敏感小数据，一般使用Keychain存取。

• 文件存储

• • Plist：一般结构化的数据可以Plist的方式去持久化
• • archive：Archive方式可以存取遵循协议的数据，比较方便的是存取使用的都是对象，不过中间的序列化和反序列化需要花费一定的性能，可以在想要使用对象直接进行磁盘存取时使用。
• • Stream：指文件存储，一般用来存图片、视频文件等数据

• 数据库存储

数据库适合存取一些关系型的数据；可以在有大量的条件查询排序类需求时使用。

• • Core Data：苹果官方封装的ORM(Object Relational Mapping)
• • FMDB：github最受欢迎的iOS sqlite 封装开源库之一
• • WCDB：微信团队在自己使用的sqlite封装基础上的开源实现，具有ORM(Object Relational Mapping)的特性，支持iOS、Android。
• • Realm：由Y Combinator孵化的创业团队开源出来的一款跨平台（iOS、Android）移动数据库。

应该用哪种缓存方案

根据需求选择：

• 简单数据存储直接写文件、key-value存取即可。
• 需要按照一些条件查找、排序等需求的，可以使用sqlite等关系型存储方式。
• 敏感性高的数据，加密存储。
• 不希望App删除后清除的小容量数据（用户名、密码、token）存keychain。

内存、磁盘数据持久化方案对比

可选方案详解

特性

• 属性
• • 名称
• • delegate：obj从cache移除时，通知代理
• • countLimit：存储数限制
• • costLimit：存储空间开销值限制（不精确）
• • evictsObjectsWithDiscardedContent(自动回收废弃内容，没看到这个属性的使用场景）
• 方法
• • 使用key同步存、取、删
• • 删除所有内容

实现

NSCacheEntry：内部类，将key-value转换成改实体，用来实现双向链表存储结构

• • key：键
• • value：值
• • cost：开销
• • prevByCost：上个节点
• • nextByCost：下个节点

NSCacheKey：对存取使用的key的封装，用于实现存取使用不支持NSCopy协议的object

• value：存取使用的key的值

_entries：NSDictionary，使用它以键值对形式存取NSCacheEntry实例
_head：双向链表头节点，链表按cost升序排序；setObject触发costLimit/countLimit trim时，从根节点开始删除
NSLock：实现读写线程安全

TMCache

TMCache 最初由 Tumblr 开发，但现在已经不再维护了。TMMemoryCache 实现了很多 NSCache 并没有提供的功能，比如数量限制、总容量限制、存活时间限制、内存警告或应用退到后台时清空缓存等。TMMemoryCache 在设计时，主要目标是线程安全，它把所有读写操作都放到了同一个 concurrent queue 中，然后用 dispatch_barrier_async 来保证任务能顺序执行。它错误的用了大量异步 block 回调来实现存取功能，以至于产生了很大的性能和死锁问题。
由于该库很久不再维护，不做详细对比。

PINCache

Tumblr 宣布不在维护 TMCache 后，由 Pinterest 维护和改进的一个缓存SDK。它的功能和接口基本和 TMCache 一样，但修复了性能和死锁的问题。它同样也用 dispatch_semaphore 来保证线程安全，但去掉了dispatch_barrier_async，避免了线程切换带来的巨大开销，也避免了可能的死锁。

特性：

PINCaching（protocal）
属性

• 名称

方法

• 同步/异步使用key存、取、删、判断存在、设置ttl时长、存储空间消耗值
• 同步/异步删除指定日期之前的数据（磁盘缓存指创建日期）
• 同步/异步删除过期数据
• 同步/异步删除所有数据

PINMemoryCache
属性

• totalCost：已经使用的总开销
• costLimit：开销（内存）使用限制（每次赋值时，触发trim)
• ageLimit：统一生命周期限制（每次赋值时，触发trim；GCD timer循环触发)
• ttlCache：是否ttl，配置此项，获取数据只会返回生命周期存活状态的数据
• removeAllObjectsOnMemoryWarning
• removeAllObjectsOnEnteringBackground
• 将要/已经添加、移除缓存对象block监听
• 将要/已经移除缓存所有对象block监听
• 已经接收内存警告、已经进入后台block监听

方法

• 同步/异步删除数据到指定的cost以下
• 同步/异步删除在指定日期之前的数据，继续删除数据到指定的cost以下（trimToCostLimitByDate）
• 同步/异步遍历所有缓存数据

内部实现

• 通过NSMutableDictionary保存需要缓存的数据，通过额外的NSMutableDictionary来保存createdDates（创建时间）、accessDates（最近访问时间）、costLimit、ageLimit等信息
• 使用互斥锁保证多线程安全
• 使用PINOperationQueue实现异步操作
• setObject触发costLimit trim时，对accessDates进行排序，实现LRU策略

PINDiskCache

• prefix：缓存名前缀
• cacheURL：缓存路径url
• byteCount：硬盘已存储数据大小
• byteLimit：最大硬盘存储空间限制，默认50M（每次赋值时，触发trim)使用时注意，丢数据时不清楚为什么
• ageLimit：同PINMemoryCache；默认30天
• writingProtectionOption：
• ttlCache：同PINMemoryCache
• removeAllObjectsOnMemoryWarning（同PINMemoryCache）
• removeAllObjectsOnEnteringBackground（同PINMemoryCache）
• 将要/已经添加、移除缓存对象block监听（同PINMemoryCache）
• 将要/已经移除缓存所有对象block监听（同PINMemoryCache）
• 已经接收内存警告、已经进入后台block监听（同PINMemoryCache）
• 支持对key进行自定义编码和解码（默认移除特殊字符 . : / %）
• 支持对数据进行自定义序列化和反序列化（默认NSKeyedArchiver，需要遵守NSCoding协议）

方法

• lockFileAccessWhileExecutingBlockAsync、synchronouslyLockFileAccessWhileExecutingBlock：执行完所有文件写操作后回调block
• fileURLForKey：获取指定文件的fileUrl
  同步/异步删除数据到指定的cost以下（同PINMemoryCache）
• 同步/异步删除在指定日期之前的数据，继续删除数据到costLimit以下（同PINMemoryCache）
• 同步/异步遍历所有缓存数据（同PINMemoryCache）

内部实现

• 通过PINDiskCacheMetadata保存数据信息：createdDate、lastModifiedDate、size、ageLimit；初始化时，加载所有文件的metadata，保存在一个NSMutableDictionary中，通过fileKey存取；
• 读取文件获取createdDate、lastModifiedDate、size等信息回写metadata；setxattr、removexattr、getxattr存储ageLimit信息，回写metadata
• trimDiskToSize：按照文件大小降序排序删除，先删大文件
• trimDiskToSizeByDate：按最近修改时间升序排序，先删较长时间未访问的（LRU）
• trimToDate：删除创建日期在指定日期之前的文件（按修改时间倒序）
• 使用互斥锁保证多线程安全：
• 使用PINOperationQueue实现异步操作
• 对accessDates进行排序，实现LRU策略

PINCache
属性

• diskByteCount：设置diskCache，byteCount
• diskCache：磁盘缓存
• memoryCache：内存缓存

方法

• 仅有初始化方法及 的实现

实现

• 二级缓存实现：先取内存；后取磁盘，取磁盘同时更新内存
• 使用同一个PINOperationQueue实现异步操作
• PINOperationGroup来实现内存缓存和磁盘缓存结束回调

实现

PINOperationQueue（async任务通过自定义的PINOperationQueue实现）

• pthread_mutex PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE(添加operation，线程安全)
• dispatch_queue:
  DISPATCH_QUEUE_SERIAL：并发数1时，直接使用串行队列执行；使用串行队列保证对信号量数据操作是安全的（修改并发数时，修改信号量数量）
  DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT：执行block中的耗时操作
• dispatch_group：阻塞当前线程，用来实现 waitUntilAllOperationsAreFinished
• dispatch_semaphore：并发数量控制，并发数为大于1时使用。

PINOperationGroup

• dispatch_group_enter、dispatch_group_leave、dispatch_group_notify，来回调group结束block

LRU淘汰

• 每次设置新的object时，超出costLimit部分，根据访问时间倒序删除

线程安全

• pthread_mutex_lock 互斥
  PINOperationQueue 实现多线程队列任务

YYCache

大神郭曜源开源的一个内存缓存实现，YYCache是对标PINCache实现的，实现了PINCache大部分的能力，同时做了一些针对性性能优化。
内存缓存相对于 PINMemoryCache 来说，去掉了异步访问的接口，尽量优化了同步访问的性能，用 OSSpinLock pthread_mutex_t互斥锁来保证线程安全。另外，缓存内部用双向链表和 NSDictionary 实现了 LRU 淘汰算法。
磁盘缓存支持设置文件尺寸阈值来控制写磁盘还是存数据库。

特性

YYMemoryCache

• 属性
• • name：名称
• • totalCount：缓存数
• • totalCost：已经使用的总开销
• • countLimit：缓存数限制（并非严格限制，GCD timer定时触发后台线程trim）
• • costLimit：开销（内存）使用限制（并非严格限制，GCD timer定时触发后台线程trim）
• • ageLimit：统一生命周期限制（并非严格限制，GCD timer定时触发后台线程trim）
• • autoTrimInterval：定时触发trim时长，默认5s
    shouldRemoveAllObjectsOnMemoryWarning
• • shouldRemoveAllObjectsWhenEnteringBackground
• • releaseOnMainThread：是否允许主线程销毁内存键值对，默认NO；注意，指定该值为YES后，YYMemoryCache的缓存只有回到主线程才把缓存的对象销毁，即执行release操作。
• • releaseAsynchronously：是否异步线程销毁内存键值对，默认YES
• • 已经接收内存警告、已经进入后台block监听
• 方法
• • 同步使用key存、取、删、判断存在、设置每个存储内存开销值
• • 同步/异步删除所有缓存（根据releaseOnMainThread、releaseAsynchronously决定）
• • 同步trim删除数据到指定的count以下
• • 同步trim删除数据到指定的cost以下（从tail开始移除，即移除最近未访问数据）
• • 同步trim删除在指定日期之前的数据
• 内部实现
• • _YYLinkedMapNode：链表节点，key、value、pre、next、cost、time（CACurrentMediaTime，最近访问时间）信息保存
• • _YYLinkedMap：最终使用_YYLinkedMap的节点通过链表方式执行增、删、改操作
• • dic、totalCost、totalCount、head（MRU）、tail(LRU)、releaseOnMainThread、releaseAsynchronously
• • insertNodeAtHead
• • bringNodeToHead
• • removeNode
• • removeTailNode
• • removeAll
• • 链表最新访问的放在头结点，便于执行trim操作，直接从尾节点开始删除
• • 使用pthread_mutex_t互斥锁保证线程安全
• • 使用DISPATCH_QUEUE_SERIAL执行增加obj缓存触发costLimit情况下的trim任务

YYDiskCache

• 属性
• • name：缓存名
• • path：缓存路径
• • inlineThreshold：控制保存sqlite或文件的阈值，大于该值存文件，默认20KB
• • customArchiveBlock、customUnarchiveBlock：对数据进行自定义序列化和反序列化（默认NSKeyedArchiver，需要遵守NSCoding协议）
    customFileNameBlock：根据key名称对文件名做自定义
• • countLimit：同YYMemoryCache；默认无限制
• • costLimit：同YYMemoryCache，这里指真实的磁盘存储大小；默认无限制
• • ageLimit：同YYMemoryCache；默认无限制
    freeDiskSpaceLimit：磁盘可缓存最小剩余空间限制；默认0
• • autoTrimInterval：同YYMemoryCache，默认60s
• • errorLogsEnabled：错误日志
• 方法
• • 同步/异步使用key存、取、判存、删数据
• • 同步/异步删除所有数据
• • 异步删除所有数据并在block回调进度
• • 同步/异步获取totalCount、totalCost
• • 同步/异步trimToCount、trimToCost、trimToAge
• • 为指定object绑定extendedData
• 内部实现
• • 使用dispatch_semaphore_t：信号量设置为1，作为锁使用了
• • 使用dispatch_queue_t：DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT，异步线程执行trim、CRUD等
• • 注意：这导致所有的异步操作回调block都是在异步线程，没在主线程
• • _globalInstances：NSMapTable缓存了所有初始化的diskCache实例，key strong，value weak
    YYKVStorage
• 属性
• • path：缓存路径
• • type：YYKVStorageTypeFile、YYKVStorageTypeSQLite、YYKVStorageTypeMixed
• • errorLogsEnabled
• • 方法
• • 保存key-value数据
• • 根据key删除key-value数据；删除超过指定size的数据（访问时间倒序删除，每次删除16个）；删除指定时间之前的数据（同）；删除数据到整体储存空间到指定size内；删除数据到整体储存数量到指定count内；删除所有数据
• • 使用key取数据
• • 判断指定key是否存在数据；获取存储数量；获取存储占用size
• 实现
• • 内部使用selite存取数据
• • 删除所有数据：先移动到指定的trash目录下，然后后台删除trash目录？移动文件比删除文件更快？
• • DISPATCH_QUEUE_SERIAL：后台删除trash

YYCache

• 属性
• • name：名称
• • memoryCache：内存缓存
• • diskCache：磁盘缓存
• 方法
• • 同步/异步使用key存、取、判存、删除数据
• • 同步/异步删除所有数据
• • 异步删除所有数据并在block回调进度
• 实现
• • 二级缓存：先取内存，再取磁盘
• • 异步操作直接使用globalQueue执行了。

实现

• 磁盘存取：封装YYKVStorage执行文件读写、seqlite操作，具体的存取操作交给它完成
• 内存LRU淘汰：每次设置新的object时，超出costLimit部分，根据访问时间倒序删除（借助链表）
  线程安全
• pthread_mutex_lock 互斥 实现内存缓存线程安全
• dispatch_semaphore_t：信号量设置为1，作为锁使用了

内存缓存方案对比

性能

YYCache的读写性能均较为优秀。NSCache和PINCache各有优劣。

plist文件

plist全名Property List，属性列表文件，它是一种用来存储串行化后的对象的文件，属性列表文件的扩展名为.plist ，因此通常被称为plist文件。文件是xml格式的。plist文件通常用于储存用户设置，也可以用于存储捆绑的信息。

平时的info.plist就是一个plist文件

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 创建一个NSMutableDictionary对象
        NSMutableDictionary *plistData = [[NSMutableDictionary alloc] init];
        
        // 添加一些示例数据到plistData字典中
        [plistData setObject:@"John Doe" forKey:@"Name"];
        [plistData setObject:@"[email protected]" forKey:@"Email"];
        [plistData setObject:@30 forKey:@"Age"];
        
        // 获取文件路径，可以根据需要修改保存路径
        NSArray *paths = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES);
        NSString *documentsDirectory = [paths objectAtIndex:0];
        NSString *plistPath = [documentsDirectory stringByAppendingPathComponent:@"data.plist"];
        
        // 写入plist文件
        [plistData writeToFile:plistPath atomically:YES];
        
        NSLog(@"Plist文件已创建并写入成功：%@", plistPath);
    }
    return 0;
}

这样的j话我们就能通过打印的文件目录来查看写入的东西了