MMKV源码解读与理解

概述

通过 mmap 技术实现的高性能通用 key-value 组件。同时选用 protobuf 协议，进一步压缩数据存储。

标准 protobuf 不提供增量更新的能力，每次写入都必须全量写入。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：将增量 kv 对象序列化后，直接 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。

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。例如同一个 key 不断更新的话，是可能耗尽几百 M 甚至上 G 空间，而事实上整个 kv 文件就这一个 key，不到 1k 空间就存得下。这明显是不可取的。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。

文件数据结构

一个 MMKV 对象会生成两个文件，一个存储数据的主文件，一个 crc 校验文件，文件名规则为：

// 主文件名为 mmapedKVKey() 返回值， crc 校验文件名为 mmapedKVKey()返回值加上 .crc 后缀
string mmapedKVKey(const string &mmapID, const MMKVPath_t *rootPath) {  if (rootPath && g_rootDir != (*rootPath)) {  return md5(*rootPath + MMKV_PATH_SLASH + string2MMKVPath_t(mmapID));  }  return mmapID;  
}

主文件

前四个字节记录了存储数据的总大小，紧接着保存每一个 key-value 对，由于使用了 protobuf 编码，为了便于读取 key、value 的数据，在保存具体数据前都先记录下其占用的字节数。由于 keyLength 和 valueLength 都为 int32 整数，因此直接按照 protobuf 编码规则读取即可，无需像 key、value 需要一个长度来确定值的结束边界。

+--------------+------------+------+--------------+--------+------------+------+---------------+-------+
| 存储的数据大小 | keyLength1 | key1 | valueLength1 | value1 | keyLength2 | key2 | valueLength2  | value2 |
+--------------+------------+------+--------------+--------+------------+------+---------------+-------+

CRC文件

CRC文件中保存的内容为以下结构体定义的数据结构，包括 crc32 校验和的值以及一堆辅助数据，用以验证文件的一致性。

struct MMKVMetaInfo {uint32_t m_crcDigest = 0;uint32_t m_version = MMKVVersionSequence;uint32_t m_sequence = 0; // full write-back countuint8_t m_vector[AES_KEY_LEN] = {};uint32_t m_actualSize = 0;// confirmed info: it's been synced to filestruct {uint32_t lastActualSize = 0;uint32_t lastCRCDigest = 0;uint32_t _reserved[16] = {};} m_lastConfirmedMetaInfo;
}

数据初始化

MMKV 对象构造时会调用 loadFromFile 读取数据，将文件中的 key-value 对读取到一个 dict 中保存。dict 是一个 std::unordered_map<std::string, mmkv::KeyValueHolder> 结构，dict 的 key 即为保存的 key-value 对中的 key。并且通过 KeyValueHolder 来保存 key-value 对的内容。

// MiniPBCoder.cpp#decodeOneMap
auto block = [position, this](MMKVMap &dictionary) {if (position) {m_inputData->seek(position);} else {m_inputData->readInt32();}while (!m_inputData->isAtEnd()) {KeyValueHolder kvHolder;// 读取 key，保存 key 的 起始位置和size信息到 KeyValueHoder 中const auto &key = m_inputData->readString(kvHolder);if (key.length() > 0) {// 读取 value，保存 value 的size信息到 KeyValueHolder，此时并不会将 value 解码出来m_inputData->readData(kvHolder);if (kvHolder.valueSize > 0) {dictionary[key] = move(kvHolder);} else {auto itr = dictionary.find(key);if (itr != dictionary.end()) {dictionary.erase(itr);}}}}
};// CodedInputData.cpp#readString
// 读取 key
string CodedInputData::readString(KeyValueHolder &kvHolder) {  kvHolder.offset = static_cast<uint32_t>(m_position);  int32_t size = this->readRawVarint32();  if (size < 0) {  throw length_error("InvalidProtocolBuffer negativeSize");  }  auto s_size = static_cast<size_t>(size);  if (s_size <= m_size - m_position) {  kvHolder.keySize = static_cast<uint16_t>(s_size);  auto ptr = m_ptr + m_position;  string result((char *) (m_ptr + m_position), s_size);  m_position += s_size;  return result;  } else {  throw out_of_range("InvalidProtocolBuffer truncatedMessage");  }  
}// CodedInputData.cpp#readData
// 读取 value
void CodedInputData::readData(KeyValueHolder &kvHolder) {  int32_t size = this->readRawVarint32();  if (size < 0) {  throw length_error("InvalidProtocolBuffer negativeSize");  }  auto s_size = static_cast<size_t>(size);  if (s_size <= m_size - m_position) {  kvHolder.computedKVSize = static_cast<uint16_t>(m_position - kvHolder.offset);  kvHolder.valueSize = static_cast<uint32_t>(s_size);  m_position += s_size;  } else {  throw out_of_range("InvalidProtocolBuffer truncatedMessage");  }  
}

数据写入与读取

这里仅分析在 Android 平台的主流程逻辑，因此对于加密功能和在 iOS 设备上的逻辑不去关注。由于 MMKV 对于 value 支持多种类型格式，这里也主要通过类型为 int 和 string 的写入和读取逻辑来进行了解。

MMBuffer

MMKV 中定义的内存单元，用来更方便的进行一些操作而抽象的结构。对于占用内存小的数据，直接保存在栈中，而对于占用内存大的数据则保存在堆中。 判断占用内存的大小取决于 sizeof(MMBuffer) - offsetof(MMBuffer, paddedBuffer) 计算的值，其实也就是 paddedBuffer[10] 的大小。这里应该是考虑到对于基本数值类型进行 protobuf 编码后最多占用10个字节，因此使用这种方式来更高效的进行内存操作。 MMBuffer 中包含一个联合体，其中的两个结构体共用存储空间，在实际使用时只能使用其中的一个。在默认情况下，编译器会对 MMBuffer 进行内存对齐，添加了 7 个填充字节，以保证 size 和 ptr 成员都按照 8 字节对齐。而对于第二个结构体，由于其成员都是 1 字节大小，因此没有进行内存对齐，没有填充字节。其内存布局如下：

+--------------------+------------------------+---------------+--------------+
|  isNoCopy(1 byte)  |    padding(7 bytes)    | size(8 bytes) | ptr(8 bytes) |
+--------------------+------------------------+---------------+--------------+
+--------------------+----------------------------+
| paddedSize(1 byte) |   paddedBuffer(10 bytes)   |
+--------------------+----------------------------+

class MMBuffer {enum MMBufferType : uint8_t {MMBufferType_Small,  // store small buffer in stack memoryMMBufferType_Normal, // store in heap memory};MMBufferType type;union {struct {MMBufferCopyFlag isNoCopy;size_t size;void *ptr;};struct {uint8_t paddedSize;// make at least 10 bytes to hold all primitive types (negative int32, int64, double etc) on 32 bit device// on 64 bit device it's guaranteed larger than 10 bytesuint8_t paddedBuffer[10];};};static constexpr size_t SmallBufferSize() {return sizeof(MMBuffer) - offsetof(MMBuffer, paddedBuffer);}public:explicit MMBuffer(size_t length = 0);MMBuffer(void *source, size_t length, MMBufferCopyFlag flag = MMBufferCopy);MMBuffer(MMBuffer &&other) noexcept;~MMBuffer();bool isStoredOnStack() const { return (type == MMBufferType_Small); }void *getPtr() const { return isStoredOnStack() ? (void *) paddedBuffer : ptr; }size_t length() const { return isStoredOnStack() ? paddedSize : size; }
};

int类型数据写入

写入的 value 为 int 类型时，计算 value 通过 protobuf 编码需要占用多少个字节，并将其编码后的结果写入到分配的内存段中。

// MMKV.cpp#set
bool MMKV::set(int32_t value, MMKVKey_t key) {  if (isKeyEmpty(key)) {  return false;  }  // 根据 protobuf 编码规则，获取 value 通过 protobuf 编码需要占用几个字节size_t size = pbInt32Size(value);  // 声明 MMBuffer，其为 MMKV 中定义的内存单元，存储了映射的指针和大小MMBuffer data(size);  // 将 MMBuffer 的 ptr 与 CodedOutputData 关联在一起，// 则 CodedOutputData 写入数据后，通过 MMBuffer 也能获取得到CodedOutputData output(data.getPtr(), size); // CodedOutputData 主要负责 protobuf 的编码逻辑，output.writeInt32(value);  return setDataForKey(move(data), key);  
}

setDataForKey

对 value 进行 protobuf 编码后，将数据写入到文件尾部，同时还需要更新 dic 中的内容，以便为后续快速读取数据服务。 查找 dic 中是否已存在要写入 key 相关的 key-value 对。

  • 当 dic 中存在这个 key，直接使用 dic 中保存的 KeyValueHolder 使用。在 doAppendDataWithKey 流程将 key 写入文件时复制 KeyValueHolder 指向的 key 数据块。这个分支走向决定了 doAppendDataWithKey 中 isKeyEncoded 为 true。
  • 当 dic 中没有这个 key 时， doAppendDataWithKey 中 isKeyEncoded 为 false，在写入文件时需要写入 keyLength，再写入 key。
// MMKV_IO.cpp#setDataForKey
auto itr = m_dic->find(key);
// 
if (itr != m_dic->end()) {  auto ret = appendDataWithKey(data, itr->second, isDataHolder);  if (!ret.first) {  return false;  }  itr->second = std::move(ret.second);  
} else {  auto ret = appendDataWithKey(data, key, isDataHolder);  if (!ret.first) {  return false;  }  m_dic->emplace(key, std::move(ret.second));  
}

appendDataWithKey

根据 setDataForKey 的逻辑分支，appendDataWithKey 也有两种逻辑，主要区别在于构造 key 的 MMBuffer 方式不一样。

  • 当 dic 中存有相关 key，对应的 MMBuffer 将 protobuf 编码的 keyLength 计算在内
  • 当 dic 中没有相关 key，对应的 MMBuffer 长度即为 key 的长度大小
// MMKV_IO.cpp#appendDataWithKey// dic 中已有相关 key 的逻辑分支
KVHolderRet_t MMKV::appendDataWithKey(const MMBuffer &data, const KeyValueHolder &kvHolder, bool isDataHolder) {  SCOPED_LOCK(m_exclusiveProcessLock);  uint32_t keyLength = kvHolder.keySize;  // size needed to encode the key  size_t rawKeySize = keyLength + pbRawVarint32Size(keyLength);  // // ensureMemorySize() might change kvHolder.offset, so have to do it early  {  auto valueLength = static_cast<uint32_t>(data.length());  if (isDataHolder) {  valueLength += pbRawVarint32Size(valueLength);  }  auto size = rawKeySize + valueLength + pbRawVarint32Size(valueLength);  // ensureMemorySize 确保有足够的空间大小以供这次写入，内部逻辑比较复杂，// 这里简单记住当申请的 mmap 空间不够时会尝试扩容bool hasEnoughSize = ensureMemorySize(size);  if (!hasEnoughSize) {  return make_pair(false, KeyValueHolder());  }  }    auto basePtr = (uint8_t *) m_file->getMemory() + Fixed32Size;  MMBuffer keyData(basePtr + kvHolder.offset, rawKeySize, MMBufferNoCopy);  return doAppendDataWithKey(data, keyData, isDataHolder, keyLength);  
}// dic 中没有相关 key 的逻辑分支
KVHolderRet_t MMKV::appendDataWithKey(const MMBuffer &data, MMKVKey_t key, bool isDataHolder) {auto keyData = MMBuffer((void *) key.data(), key.size(), MMBufferNoCopy);return doAppendDataWithKey(data, keyData, isDataHolder, static_cast<uint32_t>(keyData.length()));
}

doAppendDataWithKey

实际将 key-value 对进行写入的地方。这里需要先了解两个字段代表的含义，否则对于写入流程可能并不会太过清晰。

isDataHolder

isDataHolder 的取值从 setDataForKey 一路传下来，这里看下其函数定义，对于 isDataHolder 默认取值为 false。

bool setDataForKey(mmkv::MMBuffer &&data, MMKVKey_t key, bool isDataHolder = false);

数据类型为 string/char* 时，才进行了 true 的赋值。而当 isDataHolder 为 true 时，对 value 的写入会再额外写入一个字段，表示 valueLength。在 Github Discussion 中的讨论，作者解释是为了在写入 string 列表中使用的，而为了代码的统一性就没有再进行区分了。

isKeyEncoded

通过原始 key 长度和将 key 封装为 MMBuffer 的 length 做比较来判断是否已经包含 keyLength 的 protobuf 编码值。实际上在 MMKV_IO.cpp#setDataForKey 中根据 dic 是否存在写入的 key 就决定了 isKeyEncoded 的值，当 dic 中存在写入的 key 时，isKeyEncoded 为 true，表示写入时不需要再将 keyLength 的 protobuf 编码数据写入。

+-----------+-----+
| keyLength | key |
+-----------+-----+

这样做的原因上面其实也提及过，对于 key 的写入其格式如上。当 dic 中存有这个 key，那么说明初始 loadFromFile 或在此之前已经构造了相关的 KeyValueHolder 信息。通过 KeyValueHolder 拿到 offset 数据后，offset 后面的一段内存区数据即为 key 写入所需的格式数据。

// MMKV_IO.cpp#doAppendDataWithKey
KVHolderRet_t
MMKV::doAppendDataWithKey(const MMBuffer &data, const MMBuffer &keyData, bool isDataHolder, uint32_t originKeyLength) {auto isKeyEncoded = (originKeyLength < keyData.length());auto keyLength = static_cast<uint32_t>(keyData.length());auto valueLength = static_cast<uint32_t>(data.length());if (isDataHolder) {valueLength += pbRawVarint32Size(valueLength);}// size needed to encode the keysize_t size = isKeyEncoded ? keyLength : (keyLength + pbRawVarint32Size(keyLength));// size needed to encode the valuesize += valueLength + pbRawVarint32Size(valueLength);SCOPED_LOCK(m_exclusiveProcessLock);bool hasEnoughSize = ensureMemorySize(size);if (!hasEnoughSize || !isFileValid()) {return make_pair(false, KeyValueHolder());}try {// 仍然是区分 key 是否已经编码过了if (isKeyEncoded) {// 直接将 MMBuffer 的数据拷贝写入m_output->writeRawData(keyData);} else {// 写入 protobuf 编码的 keyLength，再写入 key 的值m_output->writeData(keyData);}if (isDataHolder) {m_output->writeRawVarint32((int32_t) valueLength);}m_output->writeData(data); // note: write size of data} catch (std::exception &e) {MMKVError("%s", e.what());return make_pair(false, KeyValueHolder());}auto offset = static_cast<uint32_t>(m_actualSize);auto ptr = (uint8_t *) m_file->getMemory() + Fixed32Size + m_actualSize;m_actualSize += size;updateCRCDigest(ptr, size);return make_pair(true, KeyValueHolder(originKeyLength, valueLength, offset));
}

int 类型数据读取

数据读取内容相对简单点，根据要获取的数据 key，从 dic 中获取到相应的 KeyValueHolder，并将其转换为 MMBuffer 内存单元，读取出映射的指针地址开始的数据。

int32_t MMKV::getInt32(MMKVKey_t key, int32_t defaultValue, bool *hasValue) {if (isKeyEmpty(key)) {if (hasValue != nullptr) {*hasValue = false;}return defaultValue;}SCOPED_LOCK(m_lock);SCOPED_LOCK(m_sharedProcessLock);// 从 dic 中获取数据auto data = getDataForKey(key);if (data.length() > 0) {try {CodedInputData input(data.getPtr(), data.length());if (hasValue != nullptr) {*hasValue = true;}return input.readInt32();} catch (std::exception &exception) {MMKVError("%s", exception.what());}}if (hasValue != nullptr) {*hasValue = false;}return defaultValue;
}MMBuffer MMKV::getDataForKey(MMKVKey_t key) {checkLoadData();{auto itr = m_dic->find(key);if (itr != m_dic->end()) {auto basePtr = (uint8_t *) (m_file->getMemory()) + Fixed32Size;// 拿到 KeyValueHolder 信息，将其转换为 MMBuffer 数据格式return itr->second.toMMBuffer(basePtr);}}MMBuffer nan;return nan;
}

缺陷

  • 没有类型信息，不支持 getAll MMKV的存储使用 Protobuf 的编码方式，只存储 key 和 value 本身，没有存类型信息。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，因此在需要遍历所有 key-value 的时候（比如迁移数据）就比较棘手了。
  • 文件大小问题 扩容后如果进行 key-value 的删除不会主动 trim size

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Android 车载篇：https://qr18.cn/F05ZCM
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