适合iOS开发的一种缓存策略YYCache库的原理

YYCache 是 iOS 上一个高性能的缓存框架，它由内存缓存 YYMemoryCache 和磁盘缓存 YYDiskCache 两部分组成。

核心总览

YYCache 的核心设计目标是 高效、线程安全和高性能。它通过以下方式实现这一目标：

分层设计：内存缓存提供极速访问，磁盘缓存提供大容量存储。
LRU 淘汰算法：两者都使用 LRU 算法来管理缓存项，确保高频数据留在缓存中。
数据结构优化 ：
- 内存缓存 ：结合 NSDictionary 和双向链表。
- 磁盘缓存：结合 SQLite 和文件系统。
锁策略优化 ：使用 pthread_mutex 锁来保证线程安全，性能优于 @synchronized 和 dispatch_semaphore。

为了更直观地理解其核心工作原理，我们可以用以下流程图来展示其数据结构和关键操作：

上图揭示了YYCache的核心架构，下面我们来详细拆解图中各个部分的工作原理。

一、YYMemoryCache (内存缓存) 原理

YYMemoryCache 使用了一种非常经典且高效的数据结构组合：双向链表 + 哈希表。

1. 核心数据结构：`_YYLinkedMapNode` 和 `_YYLinkedMap`

_YYLinkedMapNode：链表节点。

objc 复制代码

@interface _YYLinkedMapNode : NSObject {
    @package
    __unsafe_unretained _YYLinkedMapNode *_prev; // 指向上一节点
    __unsafe_unretained _YYLinkedMapNode *_next; // 指向下一节点
    id _key;      // 缓存的键
    id _value;    // 缓存的值
    NSUInteger _cost;   // 开销成本（用于成本计算）
    NSTimeInterval _time; // 访问时间
}
@end

_YYLinkedMap：一个双向链表，用于管理所有节点。

objc 复制代码

@interface _YYLinkedMap : NSObject {
    @package
    CFMutableDictionaryRef _dic; // 哈希表，用于O(1)的存取
    NSUInteger _totalCost;      // 总开销
    NSUInteger _totalCount;     // 总数量
    _YYLinkedMapNode *_head;    // 链表头（MRU，最近使用）
    _YYLinkedMapNode *_tail;    // 链表尾（LRU，最久未使用）
}
@end

2. 工作原理

存取过程与LRU管理

其工作流程可以精确地描述为以下步骤：

sequenceDiagram participant A as Client（客户端） participant M as YYMemoryCache participant D as _dic (哈希表) participant L as 双向链表 A->>M: setObject:forKey: M->>D: 通过key查找节点 alt 节点已存在 M->>L: 更新节点value，将节点移至_head else 节点不存在 M->>M: 创建新节点 M->>D: 插入新节点 M->>L: 将新节点插入至_head M->>M: _totalCount++, _totalCost++ loop 超过限制（count/cost） M->>L: 移除_tail节点（LRU） M->>D: 删除对应key M->>M: 更新_totalCount, _totalCost end end A->>M: objectForKey: M->>D: 通过key查找节点 alt 节点存在 M->>L: 将节点移至_head M->>A: 返回value else 节点不存在 M->>A: 返回nil end

线程安全 ： YYMemoryCache 使用 pthread_mutex 锁来保证上述所有操作（_dic 的读写、链表的修改）的线程安全性。它在每个操作开始时加锁，结束时解锁。

二、YYDiskCache (磁盘缓存) 原理

YYDiskCache 的设计更为复杂，它采用了一种智能的混合存储策略，根据 value 的大小选择不同的存储方式，以在性能和空间之间取得平衡。

1. 核心思想：SQLite + 文件系统

SQLite 数据库：
- 存储所有的 元数据（key, 文件名，大小，访问时间等）。
- 如果 value 很小（例如小于 16KB），直接将其作为 BLOB 数据存储在数据库的某一列中。
- 优势：对于小数据，读写非常快，并且数据库事务保证了操作的原子性。
- 方便实现 LRU 淘汰算法，只需要通过 SQL 语句操作元数据即可。
文件系统：
- 如果 value 很大（例如大于 16KB），则将其写入单独的文件，在数据库中只记录其文件名和路径。
- 优势：避免大文件塞满 SQLite 数据库，导致性能下降。文件系统对于大文件的读写效率更高。

2. 工作流程

存储过程：

根据 key 在数据库中查询记录。
判断 value 的数据大小。
小数据 ：直接写入 SQLite 的 data 列。如果之前是文件存储，则删除对应的文件。
大数据 ：将数据写入一个文件，并在数据库的 filename 列记录文件名。如果之前 SQLite 的 data 列有数据，则清空。
更新数据库中的元信息（大小、访问时间等）。

读取过程：

根据 key 从数据库中查询记录。
如果记录中有文件名（filename 不为空），则从文件系统中读取该文件。
如果记录中没有文件名，则直接从数据库的 data 列读取数据。
更新访问时间 ：每次读取后，都会在数据库中更新该记录的 last_access_time 字段，这对于实现 LRU 至关重要。

淘汰机制：

当磁盘缓存的总大小或总数量超过限制时，触发清理。
通过一条 SQL 查询，按照 last_access_time 升序排列（最久未使用的在前），获取需要淘汰的项。
根据查询结果，如果该项有文件，则删除文件；最后，从数据库中删除该记录。

三、YYCache 的整体协作

写入缓存：
- 先写入 YYMemoryCache。
- 再异步写入 YYDiskCache。
读取缓存：
- 首先在 YYMemoryCache 中查找，找到则返回并更新链表。
- 如果内存中没有，则去 YYDiskCache 中查找。
- 如果在磁盘中找到，则将其返回给用户，并根据需要 （可配置）写回 YYMemoryCache，以便下次快速访问。

总结

特性	YYMemoryCache	YYDiskCache
存储介质	内存	磁盘 (SQLite + 文件系统)
数据结构	双向链表 + 哈希表	数据库表 + 文件
线程安全	`pthread_mutex`	串行队列 + `dispatch_semaphore`
淘汰算法	LRU (链表移动)	LRU (SQL 按时间排序)
性能	极快，O(1)	较快，对小数据优化好
容量	受内存限制	受磁盘空间限制

YYCache 的成功在于其对经典算法和数据结构的深刻理解，并结合 iOS 平台特性进行了精妙的工程优化，使其成为了一个非常出色和可靠的缓存组件。

适合iOS开发的一种缓存策略YYCache库 的原理