iOS高性能的缓存框架

内存缓存

通常一个缓存是由内存缓存和磁盘缓存组成，内存缓存提供容量小但高速的存取功能，磁盘缓存提供大容量但低速的持久化存储。相对于磁盘缓存来说，内存缓存的设计要更简单些，下面是我调查的一些常见的内存缓存。

NSCache 是苹果提供的一个简单的内存缓存，它有着和 NSDictionary 类似的 API，不同点是它是线程安全的，并且不会 retain key。我在测试时发现了它的几个特点：NSCache 底层并没有用 NSDictionary 等已有的类，而是直接调用了 libcache.dylib，其中线程安全是由 pthread_mutex 完成的。另外，它的性能和 key 的相似度有关，如果有大量相似的 key (比如 "1", "2", "3", ...)，NSCache 的存取性能会下降得非常厉害，大量的时间被消耗在 CFStringEqual() 上，不知这是不是 NSCache 本身设计的缺陷。

TMMemoryCache 是 TMCache 的内存缓存实现，最初由 Tumblr 开发，但现在已经不再维护了。TMMemoryCache 实现有很多 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 serial queue 中，然后用 dispatch_semaphore 来保证最多只有一个线程访问 queue。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。

PINMemoryCache 是 Tumblr 宣布不在维护 TMCache 后，由 Pinterest 维护和改进的一个内存缓存。它的功能和接口基本和 TMMemoryCache 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 serial queue，避免了线程切换带来的巨大开销，也避免了可能的死锁。

YYMemoryCache 是我开发的一个内存缓存，相对于 PINMemoryCache 来说，我去掉了异步访问的接口，尽量优化了同步访问的性能，用 OSSpinLock 来保证性能安全。另外，缓存内部用双向链表和 NSDictionary 实现了 LRU 淘汰算法，相对于上面几个算是一点进步吧。

下面的单线程的 Memory Cache 性能基准测试：

可以看到 YYMemoryCache 的性能不错，仅次于 NSDictionary + OSSpinLock；
NSCache 的写入性能稍差，读取性能不错；
PINMemoryCache 的读写性能也还可以，但读取速度差于 NSCache；
TMMemoryCache 性能太差以至于图上都看不出来了。

磁盘缓存

为了设计一个比较好的磁盘缓存，我调查了大量的开源库，包括 TMDiskCache、PINDiskCache、SDWebImage、FastImageCache 等，也调查了一些闭源的实现，包括 NSURLCache、非死book 的 FBDiskCache 等。他们的实现技术大致分为三类：基于文件读写、基于 mmap 文件内存映射、基于数据库。

TMDiskCache, PINDiskCache, SDWebImage 等缓存，都是基于文件系统的，即一个 Value 对应一个文件，通过文件读写来缓存数据。他们的实现都比较简单，性能也都相近，缺点也是同样的：不方便扩展、没有元数据、难以实现较好的淘汰算法、数据统 计缓慢。

FastImageCache 采用的是 mmap 将文件映射到内存。用过 MongoDB 的人应该很熟悉 mmap 的缺陷：热数据的文件不要超过物理内存大小，不然 mmap 会导致内存交换严重降低性能；另外内存中的数据是定时 flush 到文件的，如果数据还未同步时程序挂掉，就会导致数据错误。抛开这些缺陷来说，mmap 性能非常高。

NSURLCache、FBDiskCache 都是基于 SQLite 数据库的。基于数据库的缓存可以很好的支持元数据、扩展方便、数据统计速度快，也很容易实现 LRU 或其他淘汰算法，唯一不确定的就是数据库读写的性能，为此我评测了一下 SQLite 在真机上的表现。iPhone 6 64G 下，SQLite 写入性能比直接写文件要高，但读取性能取决于数据大小：当单条数据小于 20K 时，数据越小 SQLite 读取性能越高；单条数据大于 20K 时，直接写为文件速度会更快一些。这和 SQLite 官网的描述基本一致。另 外，直接从官网下载最新的 SQLite 源码编译，会比 iOS 系统自带的 sqlite3.dylib 性能要高很多。基于 SQLite 的这种表现，磁盘缓存最好是把 SQLite 和文件存储结合起来：key-value 元数据保存在 SQLite 中，而 value 数据则根据大小不同选择 SQLite 或文件存储。NSURLCache 选定的数据大小的阈值是 16K；FBDiskCache 则把所有 value 数据都保存成了文件。

我的 YYDiskCache 也是采用的 SQLite 配合文件的存储方式，在 iPhone 6 64G 上的性能基准测试结果见下图。在存取小数据 (NSNumber) 时，YYDiskCache 的性能远远高出基于文件存储的库；而较大数据的存取性能则比较接近了。但得益于 SQLite 存储的元数据，YYDiskCache 实现了 LRU 淘汰算法、更快的数据统计，更多的容量控制选项。

备注：

关于锁：

OSSpinLock 自旋锁，性能最高的锁。原理很简单，就是一直 do while 忙等。它的缺点是当等待时会消耗大量 CPU 资源，所以它不适用于较长时间的任务。对于内存缓存的存取来说，它非常合适。

dispatch_semaphore 是信号量，但当信号总量设为 1 时也可以当作锁来。在没有等待情况出现时，它的性能比 pthread_mutex 还要高，但一旦有等待情况出现时，性能就会下降许多。相对于 OSSpinLock 来说，它的优势在于等待时不会消耗 CPU 资源。对磁盘缓存来说，它比较合适。

关于 Realm：

Realm 是一个比较新的数据库，号称是针对移动应用所设计。我在测试 SQLite 性能时，也尝试对它做了些简单的评测。我从 Realm 官网下载了它提供的 benchmark 项目，更新 SQLite 到官网最新的版本，并启用了 SQLite 的 sqlite3_stmt 缓存。评测结果显示 Realm 在写入性能上差 SQLite 很多，读取小数据时也差 SQLite 不少，只有读取较大数据时 Realm 才有很大的优势。我想看看它的实现原理，但发现 Realm 的核心 realm-core 是闭源的（还有迹象未来要收费），能知道的是 Realm 应该用 了 mmap 把文件映射到内存，所以才在较大数据读取时获得很高的性能。另外我注意到添加了 Realm 的 App 会在启动时向某几个 IP 发送数据，所以我强烈建议大家不要用 Realm。