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FastKV:一个真的很快的KV存储组件

一、前言

KV存储无论对于客户端还是服务端都是重要的构件。
对于Android客户端而言,最常见的莫过于SDK提供的SharePreferences(以下简称SP),但其低效率和ANR问题饱受诟病。
18年年末微信开源了MMKV,写入速度比前者高不少。
后来官方又推出了基于Kotlin的DataStore,测试下来,发现写入效率很低。
我之前写过一个叫LightKV的存储组件,不过当时认知不足,设计不够成熟。

1.1 SP的不足

关于SP的缺点网上有不少讨论,这里主要提两个点:

  • 保存速度较慢

SP用内存层用HashMap保存,磁盘层则是用的XML文件保存。
每次更改,都需要将整个HashMap序列化为XML格式的报文然后整个写入文件。
归结其较慢的原因:
1、不能增量写入;
2、序列化比较耗时。

  • 可以能会导致ANR
public void apply() {
    // ...省略无关代码...
    QueuedWork.addFinisher(awaitCommit);
    Runnable postWriteRunnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            awaitCommit.run();
            QueuedWork.removeFinisher(awaitCommit);
        }
    };
    SharedPreferencesImpl.this.enqueueDiskWrite(mcr, postWriteRunnable);
}
复制代码
public void handleStopActivity(IBinder token, boolean show, int configChanges,
                               PendingTransactionActions pendingActions, boolean finalStateRequest, String reason) {
    // ...省略无关代码...
    // Make sure any pending writes are now committed.
    if (!r.isPreHoneycomb()) {
        QueuedWork.waitToFinish();
    }
}
复制代码

Activity stop时会等待SP的写入任务,如果SP的写入任务多且执行慢的话,可能会阻塞主线程较长时间,轻则卡顿,重则ANR。

1.2 MMKV的不足

  • 没有类型信息,不支持getAll
    MMKV的存储用类似于Protobuf的编码方式,只存储key和value本身,没有存类型信息(Protobuf用tag标记字段,信息更少)。
    由于没有记录类型信息,MMKV无法自动反序列化,也就无法实现getAll接口。
  • 读取相对较慢
    SP在加载的时候已经将value反序列化存在HashMap中了,读取的时候索引到之后就能直接引用了。
    而MMKV每次读取时都需要重新解码,除了时间上的消耗之外,还需要每次都创建新的对象。
    不过这不是大问题,相对SP没有差很多。
  • 需要引入so, 增加包体积
    引入MMKV需要增加的体积还是不少的,且不说jar包和aidl文件,光是一个arm64-v8a的so就有四百多K。

虽然说现在APP体积都不小,但毕竟增加体积对打包、分发和安装时间都多少有些影响。

  • 文件只增不减
    MMKV的扩容策略还是比较激进的,而且扩容之后不会主动trim size。
    比方说,假如有一个大value,让其扩容至1M,后面删除该value,哪怕有效内容只剩几K,文件大小还是保持在1M。
  • 可能会丢失数据
    前面的问题总的来说都不是什么“要紧”的问题,但是这个丢失数据确实是硬伤。
    MMKV官方有这么一段表述:

    通过 mmap 内存映射文件,提供一段可供随时写入的内存块,App 只管往里面写数据,由操作系统负责将内存回写到文件,不必担心 crash 导致数据丢失。

这个表述对一半不对一半。
如果数据完成写入到内存块,如果系统不崩溃,即使进程崩溃,系统也会将buffer刷入磁盘;
但是如果在刷入磁盘之前发生系统崩溃或者断电等,数据就丢失了,不过这种情况发生的概率不大;
另一种情况是数据写一半的时候进程崩溃或者被杀死,然后系统会将已写入的部分刷入磁盘,再次打开时文件可能就不完整了。
例如,MMKV在剩余空间不足时会回收无效的空间,如果这期间进程中断,数据可能会不完整。 MMKV官方的说明可以佐证:

CRC校验失败之后,MMKV有两种应对策略:直接丢弃所有数据,或者尝试读取数据(用户可以在初始化时设定)。
尝试读取数据不一定能恢复数据,甚至可能会读到一些错误的数据,得看运气。

这个过程是比较容易复现的,下面是其中一种复现路径:

  1. 新增和删除若干key-value 得到数据如下:

  1. 插入一个大字符串,触发扩容,扩容前会触发垃圾回收

  2. 断点打在执行memmove的循环中,执行一部分memmove, 然后在手机上杀死进程

  1. 再次打开APP,数据丢失

相比之下,SP虽然低效,但至少不会丢失数据。

二、FastKV

在总结了之前的经验和感悟之后,笔者实现了一个高效且可靠的版本,且将其命名为: FastKV

2.1 特性

FastKV有以下特性:

  1. 读写速度快
    • FastKV采用二进制编码,编码后的体积相对XML等文本编码要小很多。
    • 增量编码:FastKV记录了各个key-value相对文件的偏移量,更新数据时,可以直接在对应的位置写入数据。
    • 默认用mmap的方式记录数据,更新数据时直接写入到内存即可,没有IO阻塞。
  2. 支持多种写入模式
    • 除了mmap这种非阻塞的写入方式,FastKV也支持常规的阻塞式写入方式, 并且支持同步阻塞和异步阻塞(分别类似于SharePreferences的commit和apply)。
  3. 支持多种类型
    • 支持常用的boolean/int/float/long/double/String等基础类型。
    • 支持ByteArray (byte[])。
    • 支持存储自定义对象。
    • 内置StringSet编码器 (为了兼容SharePreferences)。
  4. 方便易用
    • FastKV提供了了丰富的API接口,开箱即用。
    • 提供的接口其中包括getAll()和putAll()方法, 所以迁移SharePreferences等框架的数据到FastKV很方便,当然,迁移FastKV的数据到其他框架也很方便。
  5. 稳定可靠
    • 通过double-write等方法确保数据的完整性。
    • 在API抛IO异常时提供降级处理。
  6. 代码精简
    • FastKV由纯Java实现,编译成jar包后体积仅30多K。

2.2 实现原理

2.2.1 编码

文件的布局:

[data_len | checksum | key-value | key-value|....]

  • data_len: 占4字节, 记录所有key-value所占字节数。
  • checksum: 占8字节,记录key-value部分的checksum。

key-value的数据布局:

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| delete_flag | external_flag | type  | key_len | key_content |  value  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     1bit    |      1bit     | 6bits |  1 byte |             |         |
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  • delete_flag :标记当前key-value是否删除。
  • external_flag: 标记value部分是否写到额外的文件。
    注:对于数据量比较大的value,放在主文件会影响其他key-value的访问性能,因此,单独用一个文件来保存该value, 并在主文件中记录其文件名。
  • type: value类型,目前支持boolean/int/float/long/double/String/ByteArray以及自定义对象。
  • key_len: 记录key的长度,key_len本身占1字节,所以支持key的最大长度为255。
  • key_content: key的内容本身,utf8编码。
  • value: 基础类型的value, 直接编码(little-end);
    其他类型,先记录长度(用varint编码),再记录内容。
    String采用UTF-8编码,ByteArray无需编码,自定义对象实现Encoder接口,分别在Encoder的encode/decode方法中序列化和反序列化。

2.2.2 存储

  • mmap
    为了提高写入性能,FastKV默认采用mmap的方式写入。

  • 降级
    当mmap API发生IO异常时,降级到常规的blocking I/O,同时为了不影响当前线程,会将写入放到异步线程中执行。

  • 数据完整性
    如果在写入一部分的过程中发生中断(进程或系统),则文件可能会不完整。
    故此,需要用一些方法确保数据的完整性。
    当用mmap的方式打开时,FastKV采用double-write的方式:数据依次写入A/B两个文件,确保任何时刻总有一个文件完整的;
    加载数据时,通过checksum、标记、数据合法性检验等方法验证数据的正确性。
    double-write可以防止进程崩溃后数据不完整,但由于mmap是系统定时刷盘,若在刷盘前系统崩溃或者断电,仍会丢失未落盘的更新(之前的数据还在);对于非常重要的key-value,在写入后,可接着调用force()强制将脏页刷盘。

  • 更新策略(增/删/改)
    新增:写入到数据的尾部。
    删除:delete_flag设置为1。
    修改:如果value部分的长度和原来一样,则直接写入原来的位置; 否则,先写入key-value到数据尾部,再标记原来位置的delete_flag为1(删除),最后再更新文件的data_len和checksum。

  • gc/truncate
    删除key-value时会收集信息(统计删除的个数,以及所在位置,占用空间等)。
    GC的触发时机:
    1、新增key-value时剩余空间不足,且已删除的空间达到阈值,且腾出删除空间后足够写入当前key-value, 则触发GC;
    2、删除key-value时,如果删除空间达到阈值,或者删除的key-value个数达到阈值,则触发GC。
    GC后如果空闲的空间达到设定阈值,则触发truncate(缩小文件大小)。

2.3 使用方法

2.3.1 导入

dependencies {
    implementation 'io.github.billywei01:fastkv:1.0.4'
}
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2.3.2 初始化

    FastKVConfig.setLogger(FastKVLogger)
    FastKVConfig.setExecutor(ChannelExecutorService(4))
复制代码

初始化可以按需设置日志回调和Executor。
建议传入自己的线程池,以复用线程。

日志接口提供三个级别的回调,按需实现即可。

    public interface Logger {
        void i(String name, String message);

        void w(String name, Exception e);

        void e(String name, Exception e);
    }
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2.3.3 数据读写

  • 基本用法
    FastKV kv = new FastKV.Builder(path, name).build();
    if(!kv.getBoolean("flag")){
        kv.putBoolean("flag" , true);
    }
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  • 保存自定义对象
    FastKV.Encoder<?>[] encoders = new FastKV.Encoder[]{LongListEncoder.INSTANCE};
    FastKV kv = new FastKV.Builder(path, name).encoder(encoders).build();
        
    String objectKey = "long_list";
    List<Long> list = new ArrayList<>();
    list.add(100L);
    list.add(200L);
    list.add(300L);
    kv.putObject(objectKey, list, LongListEncoder.INSTANCE);

    List<Long> list2 = kv.getObject("long_list");
复制代码

FastKV支持保存自定义对象,为了加载文件时能自动反序列化,需在构建FastKV实例时传入对象的编码器。
编码器为实现FastKV.Encoder的对象。
比如上面的LongListEncoder的实现如下:

public class LongListEncoder implements FastKV.Encoder<List<Long>> {
    public static final LongListEncoder INSTANCE = new LongListEncoder();

    @Override
    public String tag() {
        return "LongList";
    }

    @Override
    public byte[] encode(List<Long> obj) {
        return new PackEncoder().putLongList(0, obj).getBytes();
    }

    @Override
    public List<Long> decode(byte[] bytes, int offset, int length) {
        PackDecoder decoder = PackDecoder.newInstance(bytes, offset, length);
        List<Long> list = decoder.getLongList(0);
        decoder.recycle();
        return (list != null) ? list : new ArrayList<>();
    }
}
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编码对象涉及序列化/反序列化。
这里推荐笔者的另外一个框架:github.com/BillyWei01/…

2.3.4 For Android

Android平台上的用法和常规用法一致,不过Android平台多了SharePreferences API,以及支持Kotlin。
FastKV的API兼容SharePreferences, 可以很轻松地迁移SharePreferences的数据到FastKV。
相关用法可参考:github.com/BillyWei01/…

三、 性能测试

  • 测试数据:搜集APP中的SharePreferenses汇总的部份key-value数据(经过随机混淆)得到总共四百多个key-value。由于日常使用过程中部分key-value访问多,部分访问少,所以构造了一个正态分布的访问序列。
  • 比较对象: SharePreferences/DataStore/MMKV
  • 测试机型:荣耀20S

测试结果:

写入(ms)读取(ms)
SharePreferences11822
DataStore332772
MMKV2910
FastKV 191
  • SharePreferences提交用的是apply, 耗时依然不少。
  • DataStore的写入很慢。
  • MMKV的读取比SharePreferences/DataStore要慢一些,写入则比之快许多。
  • FastKV无论读取还是写入都比其他方式要快。

四、结语

本文探讨了当下Android平台的各类KV存储方式,提出并实现了一种新的存储组件,着重解决了KV存储的效率和数据可靠性问题。
目前代码已上传Github: github.com/BillyWei01/…

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Android
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