Android性能优化：微信自用高性能持久化框架——MMKV组件原理

MMKV

MMKV——基于 mmap 的高性能通用 key-value 组件，底层序列化/反序列化使用 protobuf 实现，性能高，稳定性强。
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MMKV 是基于 mmap 内存映射的移动端通用 key-value 组件，底层序列化/反序列化使用 protobuf 实现，性能高，稳定性强。
从 2015 年中至今，在 iOS 微信上使用已有近 3 年，其性能和稳定性经过了时间的验证。
近期已移植到 Android 平台。在腾讯内部开源半年之后，得到公司内部团队的广泛应用和一致好评。

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。

XML、JSON 更注重数据结构化，关注人类可读性和语义表达能力。
ProtoBuf 更注重数据序列化，关注效率、空间、速度，人类可读性差，语义表达能力不足（为保证极致的效率，会舍弃一部分元信息）

特点

• 高性能 实时写入
• 稳定 防crash
• 多进程访问
  通过与 Android 开发同学的沟通，了解到系统自带的 SharedPreferences 对多进程的支持不好。
  现有基于 ContentProvider 封装的实现，虽然多进程是支持了，但是性能低下，经常导致 ANR。
  考虑到 mmap 共享内存本质上的多进程共享的，我们在这个基础上，深入挖掘了 Android 系统的能力，提供了可能是业界最高效的多进程数据共享组件。
• 匿名内存
  在多进程共享的基础上，考虑到某些敏感数据(例如密码)需要进程间共享，但是不方便落地存储到文件上，直接用 mmap 不合适。
  我们了解到 Android 系统提供了 Ashmem 匿名共享内存的能力，发现它在进程退出后就会消失，不会落地到文件上，非常适合这个场景。
  我们很愉快地提供了 Ashmem MMKV 的功能。
• 数据加密
  不像 iOS 提供了硬件层级的加密机制，在 Android 环境里，数据加密是非常必须的。
  MMKV 使用了 AES CFB-128 算法来加密/解密。我们选择 CFB 而不是常见的 CBC 算法，
  主要是因为 MMKV 使用 append-only 实现插入/更新操作，流式加密算法更加合适。
• 数据有效性

MMKV 原理

• 内存准备
  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。
• 数据组织
  数据序列化方面我们选用 protobuf 协议，pb 在性能和空间占用上都有不错的表现。
• 写入优化
  考虑到主要使用场景是频繁地进行写入更新，我们需要有增量更新的能力。我们考虑将增量 kv 对象序列化后，append 到内存末尾。
  这样同一个 key 会有新旧若干份数据，最新的数据在最后；那么只需在程序启动第一次打开 mmkv 时，不断用后读入的 value 替换之前的值，就可以保证数据是最新有效的。
• 空间增长
  使用 append 实现增量更新带来了一个新的问题，就是不断 append 的话，文件大小会增长得不可控。我们需要在性能和空间上做个折中。
  以内存 pagesize 为单位申请空间，在空间用尽之前都是 append 模式；当 append 到文件末尾时，进行文件重整、key 排重，尝试序列化保存排重结果；
  排重后空间还是不够用的话，将文件扩大一倍，直到空间足够。
• 数据有效性
  考虑到文件系统、操作系统都有一定的不稳定性，我们另外增加了 crc 校验，对无效数据进行甄别。

更详细的设计原理参考 MMKV 原理。

快速上手

dependencies {
    implementation 'com.tencent:mmkv:1.0.23'
    // replace "1.0.23" with any available version
}

MMKV的使用非常简单，
所有变更立马生效，无需调用 sync、apply。
在 App 启动时初始化 MMKV，设定 MMKV 的根目录
(默认/data/data/xxx.xxx/files/mmkv/)
(sp存储在/data/data/xxx.xxx/shared_prefs/)

支持从SP迁移数据importFromSharedPreferences

MMKV 还额外实现了一遍 SharedPreferences、SharedPreferences.Editor 这两个 interface

// 可以跟SP用法一样
SharedPreferences.Editor editor = mmkv.edit();
// 无需调用 commit()
//editor.commit();

MMKV 的使用非常简单，所有变更立马生效，无需调用 sync、apply。 在 App 启动时初始化 MMKV，设定 MMKV 的根目录（files/mmkv/），例如在 MainActivity 里：

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);

    String rootDir = MMKV.initialize(this);
    System.out.println("mmkv root: " + rootDir);
    //……
}

MMKV 提供一个全局的实例，可以直接使用：

import com.tencent.mmkv.MMKV;
//……

MMKV kv = MMKV.defaultMMKV();

kv.encode("bool", true);
boolean bValue = kv.decodeBool("bool");

kv.encode("int", Integer.MIN_VALUE);
int iValue = kv.decodeInt("int");

kv.encode("string", "Hello from mmkv");
String str = kv.decodeString("string");

使用完毕的几个方法

public native void clearAll();

    // MMKV's size won't reduce after deleting key-values
    // call this method after lots of deleting f you care about disk usage
    // note that `clearAll` has the similar effect of `trim`
    public native void trim();

    // call this method if the instance is no longer needed in the near future
    // any subsequent call to the instance is undefined behavior
    public native void close();

    // call on memory warning
    // any subsequent call to the instance will load all key-values from file again
    public native void clearMemoryCache();

    // you don't need to call this, really, I mean it
    // unless you care about out of battery
    public void sync() {
        sync(true);
    }

性能对比

我们将 MMKV 和 SharedPreferences、SQLite 进行对比, 重复读写操作 1k 次。相关测试代码在 Android/MMKV/mmkvdemo/。结果如下图表。

单进程性能

可见，MMKV 在写入性能上远远超越 SharedPreferences & SQLite，在读取性能上也有相近或超越的表现。

多进程性能

可见，MMKV 无论是在写入性能还是在读取性能，都远远超越 MultiProcessSharedPreferences & SQLite & SQLite，
MMKV 在 Android 多进程 key-value 存储组件上是不二之选。

补充适用建议

如果使用请务必做code19版本的适配，这个在github官网有说明

依赖下面这个库，然后对19区分处理
implementation ‘com.getkeepsafe.relinker:relinker:1.3.1’

if (android.os.Build.VERSION.SDK_INT == 19) {
    MMKV.initialize(relativePath, new MMKV.LibLoader() {
        @Override
        public void loadLibrary(String libName) {
            ReLinker.loadLibrary(context, libName);
        }
    });
} else {
    MMKV.initialize(context);
}

限制

可看到，一个键会存入多分实例，最后存入的就是最新的。
MMKV 在大部分情况下都性能强劲，key/value 的数量和长度都没有限制。
然而 MMKV 在内存里缓存了所有的 key-value，在总大小比较大的情况下（例如 100M+），App 可能会爆内存，触发重整回写时，写入速度也会变慢。
支持大文件的 MMKV 正在开发中，有望在下一个大版本发布。

问题

数据变化监听 怎么获取？

// content change notification of other process
// trigger by getXXX() or setXXX() or checkContentChangedByOuterProcess()

多进程 issue //CallStaticVoidMethod 错误写成 CallStaticIntMethod，方法匹配crash

registerOnSharedPreferenceChangeListener not support
//官方推荐使用event方式通知更新
Data-change-listener is not supported by design.
We suggest using something like event-bus to notify any interesting clients.
Doing this inside a storage framework smells really bad.

defaultMMKV 是单进程SINGLE_PROCESS_MODE
使用MULTI_PROCESS_MODE创建多进程

带来的APK尺寸增加问题

libc++_shared.so 252.5k

libmmkv.so 43.5k

implementation 'com.tencent:mmkv:1.0.23'

// implementation 'com.tencent:mmkv-static:1.0.23' (无libc++_shared.so)

只打包需要的平台对应.so

ndk {
            abiFilters "armeabi-v7a", 'x86'
        }

.so加载问题

implementation 'com.getkeepsafe.relinker:relinker:1.3.1'

log太多

初始化可以设置log打印层级 initialize(rootDir, MMKVLogLevel.LevelInfo);
设置log转发，控制log输出格式、文件 MMKVHandler wantLogRedirecting=true

多进程

锁 lock unlock tryLock

注意如果一个进程lock住，另一个进程mmkvWithID获取MMKV时就阻塞住，直到持有进程释放。

// get the lock immediately
        MMKV mmkv2 = MMKV.mmkvWithID(LOCK_PHASE_2, MMKV.MULTI_PROCESS_MODE);
        mmkv2.lock();
        Log.d("locked in child", LOCK_PHASE_2);

        Runnable waiter = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //阻塞住 直到其他进程释放
                MMKV mmkv1 = MMKV.mmkvWithID(LOCK_PHASE_1, MMKV.MULTI_PROCESS_MODE);
                mmkv1.lock();
                Log.d("locked in child", LOCK_PHASE_1);
            }
        };

注意：如果其他进程有进行修改，不会立即触发onContentChangedByOuterProcess，
checkLoadData如果变化，会clearMemoryState，重新loadFromFile。//数据量大时不要太频繁
读取decodeXXX会阻塞住，先回调onContentChangedByOuterProcess，再返回值，保证值是最新的。

mmkvWithAshmemID 匿名共享内存

可以进行进程间通信，可设置pageSize
// a memory only MMKV, cleared on program exit
// size cannot change afterward (because ashmem won't allow it)

测试

write速度 mmkv > cryptKV >> sp
read速度 sp > cryptKV > mmkv

Binder MMAP（一次拷贝）

Linux的内存分用户空间跟内核空间，同时页表有也分两类，用户空间页表跟内核空间页表，每个进程有一个用户空间页表，但是系统只有一个内核空间页表。
而Binder mmap的关键是：更新用户空间对应的页表的同时也同步映射内核页表，让两个页表都指向同一块地址，
这样一来，数据只需要从A进程的用户空间，直接拷贝到B所对应的内核空间，而B多对应的内核空间在B进程的用户空间也有相应的映射，这样就无需从内核拷贝到用户空间了。

copy_from_user() //将数据从用户空间拷贝到内核空间
copy_to_user() //将数据从内核空间拷贝到用户空间

Liunx进程隔离

传统IPC

Binder通信

普通文件mmap原理

普通文件的访问方式有两种：

第一种是通过read/write系统调访问，先在用户空间分配一段buffer，然后，进入内核，将内容从磁盘读取到内核缓冲，最后，拷贝到用户进程空间，至少牵扯到两次数据拷贝；
同时，多个进程同时访问一个文件，每个进程都有一个副本，存在资源浪费的问题。

另一种是通过mmap来访问文件，mmap()将文件直接映射到用户空间，文件在mmap的时候，内存并未真正分配，
只有在第一次读取/写入的时候才会触发，这个时候，会引发缺页中断，在处理缺页中断的时候，完成内存也分配，同时也完成文件数据的拷贝。
并且，修改用户空间对应的页表，完成到物理内存到用户空间的映射，这种方式只存在一次数据拷贝，效率更高。
同时多进程间通过mmap共享文件数据的时候，仅需要一块物理内存就够了。

Android中使用mmap，可以通过RandomAccessFile与MappedByteBuffer来配合。
通过randomAccessFile.getChannel().map获取到MappedByteBuffer。然后调用ByteBuffer的put方法添加数据。

RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("path","rw");
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer= randomAccessFile.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0, randomAccessFile.length());

        mappedByteBuffer.putChar('c');
        mappedByteBuffer.getChar();

共享内存中mmap的使用

共享内存是在普通文件mmap的基础上实现的，其实就是基于tmpfs文件系统的普通mmap。

有任何问题欢迎指点。