Fresco缓存设计分析

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(第一篇)Fresco架构设计赏析

本文是Fresco源码分析系列第二篇文章,主要来看一下Fresco中有关图片缓存的内容。

引言

先来回顾一下上一篇文章中的一幅图:

NetworkFetchSequence.png

这张图描述了Fresco在第一次网络图片时所经历的过程，从图中可以看出涉及到缓存的Producer共有4个:BitmapMemroyCacheGetProducer、BitmapMemoryCacheProducer、EncodedMemoryCacheProducer和DiskCacheWriteProducer。Fresco在加载图片时会按照图中绿色箭头所示依次经过这四个缓存Producer，一旦在某个Producer得到图片请求结果，就会按照蓝色箭头所示把结果依次回调回来。简单介绍一下这4个Producer的功能:

  1. BitmapMemroyCacheGetProducer: 这个Producer会去内存缓存中检查这次请求有没命中缓存，如果命中则将缓存的图片作为这次请求结果。
  2. BitmapMemoryCacheProducer: 这个Producer会监听其后面的Producer的Result，并把Result(CloseableImage)存入缓存。
  3. EncodedMemoryCacheProducer: 它也是一个内存缓存，不过它缓存的是未解码的图片，即图片原始字节。
  4. DiskCacheWriteProducer: 顾名思义，它负责把图片缓存到磁盘，它缓存的也是未解码的图片。获取图片时如果命中了磁盘缓存那么就返回缓存的结果。

本文主要讨论BitmapMemoryCacheProducer和DiskCacheWriteProducer。在文章正式开始之前先了解一个概念:

解码图片与未解码图片

对于这两个概念可以这样简单的理解 :CloseableImage为解码的图片，而EncodeImage是未解码的图片。

CloseableImage

CloseableImage是一个接口，最常接触到的它的实现是CloseableStaticBitmap:

CloseableStaticBitmap.java

public class CloseableStaticBitmap extends CloseableBitmap {
    private volatile Bitmap mBitmap;
    ...
}

即可以把CloseableStaticBitmap理解为Bitmap的封装。

EncodeImage

它内部其实是直接封装了图片的字节/图片的文件字节流:

EncodeImage.java

public class EncodedImage implements Closeable {
    private final @Nullable CloseableReference<PooledByteBuffer> mPooledByteBufferRef;  //实际上未解码的图片的字节
    private final @Nullable Supplier<FileInputStream> mInputStreamSupplier;  //直接缓存一个文件字节流, 我猜测用于渐进式jpeg图片加载等场景
}

接下来继续分析:

Bitmap内存缓存 : BitmapMemoryCacheProducer

CacheProducer : 缓存的工作流程

BitmapMemroyCacheGetProducer派生自BitmapMemoryCacheProducer,与BitmapMemoryCacheProducer的不同就是只读不写而已。 大致看一下BitmapMemoryCacheProducer的缓存运作逻辑:

BitmapMemoryCacheProducer.java

public class BitmapMemoryCacheProducer implements Producer<CloseableReference<CloseableImage>> {

    private final MemoryCache<CacheKey, CloseableImage> mMemoryCache; //图片缓存的实现

    @Override
    public void produceResults(Consumer<CloseableReference<CloseableImage>> consumer...){

        //1.先去缓存中获取
        CloseableReference<CloseableImage> cachedReference = mMemoryCache.get(cacheKey);

        //2.命中缓存直接返回请求结果
        if (cachedReference != null) {
            consumer.onNewResult(cachedReference, BaseConsumer.simpleStatusForIsLast(isFinal));
            return;
        }

        ...
        //3.wrapConsumer来观察后续Producer的结果
        Consumer<CloseableReference<CloseableImage>> wrappedConsumer = wrapConsumer(consumer..);

        //4.让下一个Producer继续工作
        mInputProducer.produceResults(wrappedConsumer, producerContext);
    }

    protected Consumer<CloseableReference<CloseableImage>> wrapConsumer(){
        return new DelegatingConsumer<...>(consumer) {

            @Override
            public void onNewResultImpl(CloseableReference<CloseableImage> newResult...){
                //5.缓存结果
                newCachedResult = mMemoryCache.cache(cacheKey, newResult); 

                //6.通知前面的Producer图片请求结果
                getConsumer().onNewResult((newCachedResult != null) ? newCachedResult : newResult, status);
            }
        }
    }
}

它的主要流程图如下(后面两个缓存的流程与它基本相同，因此对于缓存整体流程只画这一次):

BitmapMemoryCacheProducer工作流.png

图中红色箭头和字体是正常网络加载图片(第一次)的步骤，这里我们来细看一下MemoryCache的实现:

内存缓存的实现 : MemoryCache

MemoryCache是一个接口，在这里它的对应实现是CountingMemoryCache, 先来看一下这个类的构造函数:

CountingMemoryCache.java

public class CountingMemoryCache<K, V> implements MemoryCache<K, V>, MemoryTrimmable {

    //缓存的集合其实就是一个map，不过这个map使用 Lru 算法
    final CountingLruMap<K, Entry<K, V>> mExclusiveEntries;  
    final CountingLruMap<K, Entry<K, V>> mCachedEntries; 

    public CountingMemoryCache(ValueDescriptor<V> valueDescriptor,CacheTrimStrategy cacheTrimStrategy,Supplier<MemoryCacheParams> memoryCacheParamsSupplier) {
        mValueDescriptor = valueDescriptor;// 用来估算当前缓存实体的大小
        mExclusiveEntries = new CountingLruMap<>(wrapValueDescriptor(valueDescriptor)); // 主要存放没有被引用的对象，它的所有元素一定在 mCachedEntries 集合中存在
        mCachedEntries = new CountingLruMap<>(wrapValueDescriptor(valueDescriptor));  // 主要缓存集合
        mCacheTrimStrategy = cacheTrimStrategy; // trim缓存的策略 (其实就是指定了trim ratio)
        mMemoryCacheParams = mMemoryCacheParamsSupplier.get();  //  通过 ImagePipelineConfig 来配置的缓存参数
    }
    ...
}

通过构造函数可以知道CountingMemoryCache一共含有两个缓存集合 :

  • mCachedEntries : 它是用来存放所有缓存对象的集合
  • mExclusiveEntries: 它是用来存放当前没有被引用的对象，在trim缓存是，主要是trim掉这个缓存集合的中的对象。

CountingMemoryCache的缓存逻辑主要是围绕这两个集合展开的。接下来看一下它的cache和get的方法(这两个方法是缓存的核心方法)。

将图片保存到内存缓存 : CountingMemoryCache.cache()

public  CloseableReference<V> cache(K key, CloseableReference<V> valueRef, EntryStateObserver<K> observer) {

    Entry<K, V> oldExclusive;
    CloseableReference<V> oldRefToClose = null;
    CloseableReference<V> clientRef = null;

    synchronized (this) {
        oldExclusive = mExclusiveEntries.remove(key);   //如果存在的话，从没有引用的缓存集合中清除
        Entry<K, V> oldEntry = mCachedEntries.remove(key); //从主缓存集合中移除
        if (oldEntry != null) {
            makeOrphan(oldEntry);
            oldRefToClose = referenceToClose(oldEntry);
        }

        if (canCacheNewValue(valueRef.get())) {  //会判断是否到达了当前缓存的最大值
            Entry<K, V> newEntry = Entry.of(key, valueRef, observer); // 构造一个缓存实体(Entry)
            mCachedEntries.put(key, newEntry);   //缓存
            clientRef = newClientReference(newEntry);
        }
    }

    CloseableReference.closeSafely(oldRefToClose);    //可能会调用到 release 方法，
    ...

    return clientRef;
}

上面代码我做了比较详细的注释。简单的讲就是把这个对象放入到mCachedEntries集合中，如果原来就已经缓存了这个对象，那么就要把它先从mCachedEntries和mExclusiveEntries集合中移除。

Fresco的默认内存缓存大小

上面canCacheNewValue()是用来判断当前缓存是否已经达到了最大值。那Fresco内存缓存的最大值是多少呢？这个值可以通过ImagePipelineConfig来配置，如果没有配置的话默认配置是:DefaultBitmapMemoryCacheParamsSupplier:

DefaultBitmapMemoryCacheParamsSupplier.java

public class DefaultBitmapMemoryCacheParamsSupplier implements Supplier<MemoryCacheParams> {
    ...

    private int getMaxCacheSize() {
        final int maxMemory = Math.min(mActivityManager.getMemoryClass() * ByteConstants.MB, Integer.MAX_VALUE);
        if (maxMemory < 32 * ByteConstants.MB) {
            return 4 * ByteConstants.MB;
        } else if (maxMemory < 64 * ByteConstants.MB) {
            return 6 * ByteConstants.MB;
        } else {
            if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB) {
                return 8 * ByteConstants.MB;
            } else {
                return maxMemory / 4;
            }
        }
    }
}

即Fresco的默认缓存大小是根据当前应用的运行内存来决定的，对于应用运行内存达到64MB以上的手机(现在的手机普遍已经大于这个值了)，Fresco的默认缓存大小是maxMemory / 4

从内存缓存中获取图片 : CountingMemoryCache.get()

缓存获取的逻辑也很简单:

CountingMemoryCache.java

public CloseableReference<V> get(final K key) {
    Entry<K, V> oldExclusive;
        CloseableReference<V> clientRef = null;
        synchronized (this) {
            oldExclusive = mExclusiveEntries.remove(key);
            Entry<K, V> entry = mCachedEntries.get(key);
            if (entry != null) {
                clientRef = newClientReference(entry);
            }
        }
        maybeNotifyExclusiveEntryRemoval(oldExclusive);
        maybeUpdateCacheParams();
        maybeEvictEntries();
        return clientRef;
    }

即从mCachedEntries集合中获取，如果mExclusiveEntries集合中存在的话就移除。

trim策略 : CountingMemoryCache.getrimt()

当内存缓存达到峰值或系统内存不足时就需要对当前的内存缓存做trim操作, trim时是基于Lru算法的，我们看一下它的具体逻辑:

public void trim(MemoryTrimType trimType) {
    ArrayList<Entry<K, V>> oldEntries;
    //根据当前的应用状态来确定trim ratio。 应用状态是指: 应用处于前台、后台等等
    final double trimRatio = mCacheTrimStrategy.getTrimRatio(trimType);
    ...
    int targetCacheSize = (int) (mCachedEntries.getSizeInBytes() * (1 - trimRatio));  // trim到当前缓存的多少
    int targetEvictionQueueSize = Math.max(0, targetCacheSize - getInUseSizeInBytes());  // 到底能trim多大
    oldEntries = trimExclusivelyOwnedEntries(Integer.MAX_VALUE, targetEvictionQueueSize); //trim  mExclusiveEntries集合 集合中的对象
    makeOrphans(oldEntries);
    ...
  }

trim操作的主要步骤是:

  1. 根据当前应用的状态决定trim ratio (应用状态是指应用处于前台、后台等等)。
  2. 根据trim ratio来算出经过trim后缓存的大小targetCacheSize
  3. 根据mExclusiveEntries集合的大小来决定到底能trim多少 (能trim的最大就是mExclusiveEntries.size)
  4. 对mExclusiveEntries集合做trim操作，即移除其中的元素。

即trim时最大能trim掉的大小是mExclusiveEntries集合的大小。所以如果当前应用存在内存泄漏，导致mExclusiveEntries中的元素很少，那么trim操作几乎是没有效果的。

Bitmap编码内存缓存 : EncodedMemoryCacheProducer

这个缓存Producer的工作逻辑和BitmapMemoryCacheProducer相同,不同的是它缓存的对象:

public class EncodedMemoryCacheProducer implements Producer<EncodedImage> {

    private final MemoryCache<CacheKey, PooledByteBuffer> mMemoryCache; 
    ...
}

即它缓存的是PooledByteBuffer, 它是什么东西呢? 它牵扯到Fresco编码图片的内存管理，这些内容我会单开一篇文章来讲一下。这里就先不说了。PooledByteBuffer你可以简单的把它当成一个字节数组。

Bitmap磁盘缓存 : DiskCacheWriteProducer

它是Fresco图片磁盘缓存的逻辑管理者，整个缓存逻辑和BitmapMemoryCacheProducer差不多:

public class DiskCacheWriteProducer implements Producer<EncodedImage> {

    private final BufferedDiskCache mDefaultBufferedDiskCache; /
    ...
    private static class DiskCacheWriteConsumer extends DelegatingConsumer<EncodedImage, EncodedImage> {
        @Override
        public void onNewResultImpl(EncodedImage newResult, @Status int status) {
            ...
            mDefaultBufferedDiskCache.put(cacheKey, newResult);
        }
    }
}

接下来我们主要看一下它的磁盘存储逻辑(怎么存), 对于存储逻辑是由BufferedDiskCache来负责的:

BufferedDiskCache

先来看一下类的组成结构:

public class BufferedDiskCache {
    private final FileCache mFileCache;  // 文件存储的实现
    private final Executor mWriteExecutor; //存储文件时的线程
    private final StagingArea mStagingArea; 
}
  • FileCache : 将EncodeImage保存到磁盘存储实现。
  • Executor : 指定文件保存操作所运行的线程。
  • StagingArea: 类似于git中的stage概念,它是一个map,用于保存当前正在进行磁盘缓存操作。

将图片保存至磁盘 : BufferedDiskCache.put()

这个方法主要负责往磁盘缓存一张图片:

public void put(final CacheKey key, EncodedImage encodedImage) {
    ..
    mStagingArea.put(key, encodedImage); //把这次缓存操作放到暂存区
    ...
    final EncodedImage finalEncodedImage = EncodedImage.cloneOrNull(encodedImage);
    mWriteExecutor.execute( //开启写入线程
        new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
            try {
                writeToDiskCache(key, finalEncodedImage); //写入到磁盘
            } finally {
                mStagingArea.remove(key, finalEncodedImage); //从操作暂存区中移除这次操作
                EncodedImage.closeSafely(finalEncodedImage);
            }
            }
        });
    }
    ...
}

writeToDiskCache()主要调用mFileCache.insert()来把图片保存到磁盘:

mFileCache.insert(key, new WriterCallback() {
        @Override
        public void write(OutputStream os) throws IOException {
            mPooledByteStreams.copy(encodedImage.getInputStream(), os); //实际上就是把encodeImage 写入到 os(OutputStream) 中
        }
    }
);

至于mFileCache.insert()的具体实现涉及的源码较多，考虑文章篇幅的原因这里我不去具体跟了。简单的总结一下其实现步骤和一些关键点:

Step1 : 生成ResourceId

这个ResourceId可以简单的理解为缓存文件的文件名，它的生成算法如下:

SecureHashUtil.makeSHA1HashBase64(key.getUriString().getBytes("UTF-8"));  // key就是CacheKey

即SHA-1 + Base64。

Step2 : 创建临时文件，并把图片写入到临时文件中

创建临时文件

public File createTempFile(File parent) throws IOException {
    return File.createTempFile(resourceId + ".", TEMP_FILE_EXTENSION, parent);
}

把图片写入到这个临时文件中 : DefaultDiskStorage.java

public void writeData(WriterCallback callback, Object debugInfo) throws IOException {
    FileOutputStream fileStream = new FileOutputStream(mTemporaryFile);
    ...
    CountingOutputStream countingStream = new CountingOutputStream(fileStream);
    callback.write(countingStream);
    countingStream.flush();

这里的callback(WriterCallback)就是mFileCache.insert()方法传入的那个callback -> { mPooledByteStreams.copy(encodedImage.getInputStream(), os); }

Step3 : 把临时文件重命名为resourceId
Step4 : 设置好文件的最后修改时间

从磁盘中获取文件 : BufferedDiskCache.get()

读就是写的逆操作，这里不做具体分析了。

OK,到这里本文就算结束了。下一篇文章会继续探讨Fresco的EncodeImage的内存管理,欢迎继续关注。

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