Flutter 应用加速之本地缓存管理

前言

村里的老人说：“不会写缓存器的码农不是好程序员。”

今天我们就来讲讲如何编写一个简单又通用的缓存管理模块。

需求分析

根据以往经验，每一个缓存器，除了要保持被缓存数据/对象之外，还需要同时记录两个与之紧密相关的时间：

  1. 过期时间 expired —— 缓存超过了一定时间，需要更新了，但当前数据仍然有效
  2. 失效时间 deprecated —— 缓存超过了很长时间，当前数据已经无效，不能再用了

在过期时间 expired 之前，缓存数据/对象可直接使用，无需刷新；
超过了过期时间 expired，但未超过失效时间 deprecated，此时缓存数据仍然有效，可以继续使用，但需要委托一个线程去获取最新数据/对象，然后再更新本地缓存；
如果后台线程多次更新失败，当前缓存数据/对象已经严重超时，即超过了 deprecated，此时应该丢弃当前缓存数据/对象，返回空数据/对象给调用者。

模块设计

首先我们设计一个 ```CacheHolder``` 类来保存被缓存数据/对象，以及与之对应的时间信息：

import 'package:object_key/object_key.dart' show Time;/// Holder for cache value with times in seconds
class CacheHolder <V> {CacheHolder(V? cacheValue, double cacheLifeSpan, {double? now}): _value = cacheValue, _life = cacheLifeSpan {now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + cacheLifeSpan;_deprecated = now + cacheLifeSpan * 2;}V? _value;final double _life;      // life span (in seconds)double _expired = 0;     // time to expireddouble _deprecated = 0;  // time to deprecatedV? get value => _value;/// update cache value with current time in secondsvoid update(V? newValue, {double? now}) {_value = newValue;now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + _life;_deprecated = now + _life * 2;}/// check whether cache is alive with current time in secondsbool isAlive({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;return now < _expired;}/// check whether cache is deprecated with current time in secondsbool isDeprecated({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;return now > _deprecated;}/// renewal cache with a temporary life span and current time in secondsvoid renewal(double? duration, {double? now}) {duration ??= 120;now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + duration;_deprecated = now + _life * 2;}}

该类提供 update() 和 renew() 两个函数来更新缓存信息，前者为获取到最新数据之后调用以更新数据及时间，后者仅刷新一下时间，用以推迟有效时间；
另外提供两个函数 isAlive() 和 isDeprecated()，分别用于判断是否需要更新，以及当前数据是否应该丢弃。

另外，为使 CacheHolder 能适用于任意类型数据/对象，这里使用了“泛型”类型定义。

缓存池

接下来我们需要设计一个缓冲池 ```CachePool```，用于保存同类型的 ```CacheHolder```：

import 'package:object_key/object_key.dart' show Time;
import 'holder.dart';class CachePair <V> {CachePair(this.value, this.holder);final V? value;final CacheHolder<V> holder;}/// Pool for cache holders with keys
class CachePool <K, V> {final Map<K, CacheHolder<V>> _holderMap = {};Iterable<K> get keys => _holderMap.keys;/// update cache holder for keyCacheHolder<V> update(K key, CacheHolder<V> holder) {_holderMap[key] = holder;return holder;}/// update cache value for key with timestamp in secondsCacheHolder<V> updateValue(K key, V? value, double life, {double? now}) =>update(key, CacheHolder(value, life, now: now));/// erase cache for keyCachePair<V>? erase(K key, {double? now}) {CachePair<V>? old;if (now != null) {// get exists value before erasingold = fetch(key, now: now);}_holderMap.remove(key);return old;}/// fetch cache value & its holderCachePair<V>? fetch(K key, {double? now}) {CacheHolder<V>? holder = _holderMap[key];if (holder == null) {// holder not foundreturn null;} else if (holder.isAlive(now: now)) {return CachePair(holder.value, holder);} else {// holder expiredreturn CachePair(null, holder);}}/// clear expired cache holdersint purge({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;int count = 0;Iterable allKeys = keys;CacheHolder? holder;for (K key in allKeys) {holder = _holderMap[key];if (holder == null || holder.isDeprecated(now: now)) {// remove expired holders_holderMap.remove(key);++count;}}return count;}}

该缓冲池提供了 3 个接口给应用层使用：

  1. 更新缓存信息；
  2. 删除缓存信息；
  3. 获取缓存信息；

另外还提供一个 purge() 函数给缓存管理器调用，以清除已失效的 CacheHolder。

缓存管理器

最后，我们还需要设计一个缓存管理器 ```CacheManager```，去统一管理所有不同类型的 ```CachePool```：

import 'package:object_key/object_key.dart' show Time;
import 'pool.dart';class CacheManager {factory CacheManager() => _instance;static final CacheManager _instance = CacheManager._internal();CacheManager._internal();final Map<String, dynamic> _poolMap = {};///  Get pool with name////// @param name - pool name/// @param <K>  - key type/// @param <V>  - value type/// @return CachePoolCachePool<K, V> getPool<K, V>(String name) {CachePool<K, V>? pool = _poolMap[name];if (pool == null) {pool = CachePool();_poolMap[name] = pool;}return pool;}///  Purge all pools////// @param now - current timeint purge(double? now) {now ??= Time.currentTimestamp;int count = 0;CachePool? pool;Iterable allKeys = _poolMap.keys;for (var key in allKeys) {pool = _poolMap[key];if (pool != null) {count += pool.purge(now: now);}}return count;}}

我们这个缓存管理包括两个接口：

  1. 一个工厂方法 getPool()，用于获取/创建缓存池；
  2. 一个清除接口 purge()，供系统在适当的时候（例如系统内存不足时）调用以释放缓存空间。

至此，一个简单高效的本地缓存管理模块就写好了，下面我们来看看怎么用。

应用示例

假设我们有一个类 MetaTable，其作用是从数据库或者网络中获取 meta 信息，考虑到 I/O 的时间，以及数据解析为对象所消耗的 CPU 时间等，如果该类信息访问十分频繁，我们就需要为它加上一层缓存管理。

先来看看代码：


class MetaTable implements MetaDBI {@overrideFuture<Meta?> getMeta(ID entity) async {// 从数据库中获取 meta 信息}@overrideFuture<bool> saveMeta(Meta meta, ID entity) async {// 保存 meta 信息到数据库}}class MetaCache extends MetaTable {final CachePool<ID, Meta> _cache = CacheManager().getPool('meta');@overrideFuture<Meta?> getMeta(ID entity) async {CachePair<Meta>? pair;CacheHolder<Meta>? holder;Meta? value;double now = Time.currentTimeSeconds;await lock();try {// 1. check memory cachepair = _cache.fetch(entity, now: now);holder = pair?.holder;value = pair?.value;if (value == null) {if (holder == null) {// not load yet, wait to load} else if (holder.isAlive(now: now)) {// value not existsreturn null;} else {// cache expired, wait to reloadholder.renewal(128, now: now);}// 2. load from databasevalue = await super.getMeta(entity);// update cache_cache.updateValue(entity, value, 36000, now: now);}} finally {unlock();}// OK, return cache nowreturn value;}@overrideFuture<bool> saveMeta(Meta meta, ID entity) async {_cache.updateValue(entity, meta, 36000, now: Time.currentTimeSeconds);return await super.saveMeta(meta, entity);}}

带缓存读数据

当需要读取数据时，先通过 ```_cache.fetch()``` 检查当前缓存池中是否存在有效的值：

如果 (值存在)，则 {

    直接返回该值；

}

否则检查 holder；

如果 (holder 存在且未过期)，则 {

    说明确实不存在该数据，返回空值；

}

否则调用父类接口获取最新数据；

然后再更新本地缓存。

带缓存写数据

写数据就简单了，只需要在调用父类接口写数据库的同时刷新一下缓存即可。

代码引用

由于我已将这部分代码提交到了 pub.dev，所以在实际应用中，你只需要在项目工程文件 ```pubspec.yaml``` 中添加：

dependencies:

    object_key: ^0.1.1

然后在需要使用的 dart 文件头引入即可：

import 'package:object_key/object_key.dart';

全部源码

/* license: https://mit-license.org**  ObjectKey : Object & Key kits**                               Written in 2023 by Moky <albert.moky@gmail.com>** =============================================================================* The MIT License (MIT)** Copyright (c) 2023 Albert Moky** Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy* of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal* in the Software without restriction, including without limitation the rights* to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell* copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is* furnished to do so, subject to the following conditions:** The above copyright notice and this permission notice shall be included in all* copies or substantial portions of the Software.** THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR* IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,* FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE* AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER* LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,* OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE* SOFTWARE.* =============================================================================*/
import 'package:object_key/object_key.dart' show Time;/// Holder for cache value with times in seconds
class CacheHolder <V> {CacheHolder(V? cacheValue, double cacheLifeSpan, {double? now}): _value = cacheValue, _life = cacheLifeSpan {now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + cacheLifeSpan;_deprecated = now + cacheLifeSpan * 2;}V? _value;final double _life;      // life span (in seconds)double _expired = 0;     // time to expireddouble _deprecated = 0;  // time to deprecatedV? get value => _value;/// update cache value with current time in secondsvoid update(V? newValue, {double? now}) {_value = newValue;now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + _life;_deprecated = now + _life * 2;}/// check whether cache is alive with current time in secondsbool isAlive({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;return now < _expired;}/// check whether cache is deprecated with current time in secondsbool isDeprecated({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;return now > _deprecated;}/// renewal cache with a temporary life span and current time in secondsvoid renewal(double? duration, {double? now}) {duration ??= 120;now ??= Time.currentTimestamp;_expired = now + duration;_deprecated = now + _life * 2;}}class CachePair <V> {CachePair(this.value, this.holder);final V? value;final CacheHolder<V> holder;}/// Pool for cache holders with keys
class CachePool <K, V> {final Map<K, CacheHolder<V>> _holderMap = {};Iterable<K> get keys => _holderMap.keys;/// update cache holder for keyCacheHolder<V> update(K key, CacheHolder<V> holder) {_holderMap[key] = holder;return holder;}/// update cache value for key with timestamp in secondsCacheHolder<V> updateValue(K key, V? value, double life, {double? now}) =>update(key, CacheHolder(value, life, now: now));/// erase cache for keyCachePair<V>? erase(K key, {double? now}) {CachePair<V>? old;if (now != null) {// get exists value before erasingold = fetch(key, now: now);}_holderMap.remove(key);return old;}/// fetch cache value & its holderCachePair<V>? fetch(K key, {double? now}) {CacheHolder<V>? holder = _holderMap[key];if (holder == null) {// holder not foundreturn null;} else if (holder.isAlive(now: now)) {return CachePair(holder.value, holder);} else {// holder expiredreturn CachePair(null, holder);}}/// clear expired cache holdersint purge({double? now}) {now ??= Time.currentTimestamp;int count = 0;Iterable allKeys = keys;CacheHolder? holder;for (K key in allKeys) {holder = _holderMap[key];if (holder == null || holder.isDeprecated(now: now)) {// remove expired holders_holderMap.remove(key);++count;}}return count;}}class CacheManager {factory CacheManager() => _instance;static final CacheManager _instance = CacheManager._internal();CacheManager._internal();final Map<String, dynamic> _poolMap = {};///  Get pool with name////// @param name - pool name/// @param <K>  - key type/// @param <V>  - value type/// @return CachePoolCachePool<K, V> getPool<K, V>(String name) {CachePool<K, V>? pool = _poolMap[name];if (pool == null) {pool = CachePool();_poolMap[name] = pool;}return pool;}///  Purge all pools////// @param now - current timeint purge(double? now) {now ??= Time.currentTimestamp;int count = 0;CachePool? pool;Iterable allKeys = _poolMap.keys;for (var key in allKeys) {pool = _poolMap[key];if (pool != null) {count += pool.purge(now: now);}}return count;}}

GitHub 地址：

https://github.com/moky/ObjectKey/tree/main/object_key/lib/src/mem

结语

这里向大家展示了一个简单高效的本地缓存管理模块，该模块能有效避免重复创建相同对象，同时也可避免内存泄漏等问题。

合理使用该模块，可以令你的应用程序访问数据的平均速度大幅提升，特别是在重复滚动展示大量数据的列表时，能让你的应用体验更加丝滑。

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