Android SharedPreferences 实现原理解析
2019-02-18 本文已影响7人
Android架构
序言
Android 中的 SharedPreference 是轻量级的数据存储方式，能够保存简单的数据类型，比如 String、int、boolean 值等。其内部是以 XML 结构保存在 /data/data/包名/shared_prefs 文件夹下，数据以键值对的形式保存。下面有个例子：
<?xml version='1.0' encoding='utf-8' standalone='yes' ?>
<map>
<float name="isFloat" value="1.5" />
<string name="isString">Android</string>
<int name="isInt" value="1" />
<long name="isLong" value="1000" />
<boolean name="isBoolean" value="true" />
<set name="isStringSet">
<string>element 1</string>
<string>element 2</string>
<string>element 3</string>
</set>
</map>
这里不讨论 API 的使用方法，主要是从源码角度分析 SharedPreferences （以下简称 SP） 的实现方式。
1. 初始化
首先我们使用 context 的 getSharedPreferences 方法获取 SP 实例，它是一个接口对象。
SharedPreferences testSp = getSharedPreferences("test_sp", Context.MODE_PRIVATE);
Context 是一个抽象类，其核心实现类是 ContextImpl ，找到里面的 getSharedPreferences 方法。
@Override
public SharedPreferences getSharedPreferences(String name, int mode) {
SharedPreferencesImpl sp;
synchronized (ContextImpl.class) {
if (sSharedPrefs == null) {
// sSharedPrefs 是 ContextImpl 的静态成员变量，通过 Map 维护着当前包名下的 SP Map 集合
sSharedPrefs = new ArrayMap<String, ArrayMap<String, SharedPreferencesImpl>>();
}
final String packageName = getPackageName();
ArrayMap<String, SharedPreferencesImpl> packagePrefs = sSharedPrefs.get(packageName);
if (packagePrefs == null) {
packagePrefs = new ArrayMap<String, SharedPreferencesImpl>();
sSharedPrefs.put(packageName, packagePrefs);
}
// At least one application in the world actually passes in a null
// name. This happened to work because when we generated the file name
// we would stringify it to "null.xml". Nice.
if (mPackageInfo.getApplicationInfo().targetSdkVersion <
Build.VERSION_CODES.KITKAT) {
// name 参数为 null 时，文件名使用 null.xml
if (name == null) {
name = "null";
}
}
sp = packagePrefs.get(name);
if (sp == null) {
// SP 集合是一个以 SP 的名字为 key , SP 为值的 Map
File prefsFile = getSharedPrefsFile(name);
// SP 的实现类是 SharedPreferencesImpl
sp = new SharedPreferencesImpl(prefsFile, mode);
packagePrefs.put(name, sp);
return sp;
}
}
// Android 3.0 以下或者支持 MODE_MULTI_PROCESS 模式时，如果文件被改动，就重新从文件读取，实现多进程数据同步，但是实际使用中效果不佳，可能会有很多坑。
if ((mode & Context.MODE_MULTI_PROCESS) != 0 ||
getApplicationInfo().targetSdkVersion < android.os.Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB) {
// If somebody else (some other process) changed the prefs
// file behind our back, we reload it. This has been the
// historical (if undocumented) behavior.
sp.startReloadIfChangedUnexpectedly();
}
return sp;
}
首次使用 getSharedPreferences 时，内存中不存在 SP 以及 SP Map 缓存，需要创建 SP 并添加到 ContextImpl 的静态成员变量（sSharedPrefs）中。
下面来看 SharedPreferencesImpl 的构造方法，
SharedPreferencesImpl(File file, int mode) {
mFile = file;
mBackupFile = makeBackupFile(file);
mMode = mode;
mLoaded = false;
mMap = null;
startLoadFromDisk();
}
makeBackupFile 用来定义备份文件，该文件在写入磁盘时会用到，继续看 startLoadFromDisk 方法。
private void startLoadFromDisk() {
synchronized (this) {
mLoaded = false;
}
// 开启异步线程从磁盘读取文件，加锁防止多线程并发操作
new Thread("SharedPreferencesImpl-load") {
public void run() {
synchronized (SharedPreferencesImpl.this) {
loadFromDiskLocked();
}
}
}.start();
}
private void loadFromDiskLocked() {
if (mLoaded) {
return;
}
// 备份文件存在，说明上次的写入操作失败，直接读取备份文件
if (mBackupFile.exists()) {
mFile.delete();
mBackupFile.renameTo(mFile);
}
// Debugging
if (mFile.exists() && !mFile.canRead()) {
Log.w(TAG, "Attempt to read preferences file " + mFile + " without permission");
}
Map map = null;
StructStat stat = null;
try {
stat = Os.stat(mFile.getPath());
if (mFile.canRead()) {
BufferedInputStream str = null;
try {
str = new BufferedInputStream(
new FileInputStream(mFile), 16*1024);
// 从 XML 里面读取数据返回一个 Map，内部使用了 XmlPullParser
map = XmlUtils.readMapXml(str);
} catch (XmlPullParserException e) {
Log.w(TAG, "getSharedPreferences", e);
} catch (FileNotFoundException e) {
Log.w(TAG, "getSharedPreferences", e);
} catch (IOException e) {
Log.w(TAG, "getSharedPreferences", e);
} finally {
IoUtils.closeQuietly(str);
}
}
} catch (ErrnoException e) {
}
mLoaded = true;
if (map != null) {
mMap = map;
mStatTimestamp = stat.st_mtime;
mStatSize = stat.st_size;
} else {
mMap = new HashMap<String, Object>();
}
// 唤醒等待的线程，到这文件读取完毕
notifyAll();
}
看到这，基本明白了 getSharedPreferences 的原理，应用首次使用 SP 的时候会从磁盘读取，之后缓存在内存中。
2. 读数据
下面分析 SP 读取数据的方法，就以 getString 为例。
@Nullable
public String getString(String key, @Nullable String defValue) {
synchronized (this) {
awaitLoadedLocked();
String v = (String)mMap.get(key);
return v != null ? v : defValue;
}
}
private void awaitLoadedLocked() {
if (!mLoaded) {
// Raise an explicit StrictMode onReadFromDisk for this
// thread, since the real read will be in a different
// thread and otherwise ignored by StrictMode.
BlockGuard.getThreadPolicy().onReadFromDisk();
}
while (!mLoaded) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException unused) {
}
}
}
首先取得 SharedPreferencesImpl 对象锁，然后同步等待从磁盘加载数据完成，最后返回数据。这里有个问题，如果单个 SP 存储的内容过多，导致我们使用 getXXX 方法的时候阻塞，特别是在主线程调用的时候，所以建议在单个 SP 中尽量少地保存数据，虽然操作时间是毫秒级别的，用户基本上感觉不到。
3. 写数据
SP 写入数据的操作是通过 Editor 完成的，它也是一个接口，实现类是 EditorImpl，是 SharedPreferencesImpl 的内部类。
通过 SP 的 edit 方法获取 Editor 实例，等到加载完毕直接返回一个 EditorImpl 对象。
public Editor edit() {
// TODO: remove the need to call awaitLoadedLocked() when
// requesting an editor. will require some work on the
// Editor, but then we should be able to do:
//
// context.getSharedPreferences(..).edit().putString(..).apply()
//
// ... all without blocking.
synchronized (this) {
awaitLoadedLocked();
}
return new EditorImpl();
}
比如我们要保存某个 String 的值，调用 putString 方法。
public Editor putString(String key, @Nullable String value) {
synchronized (this) {
mModified.put(key, value);
return this;
}
}
mModified 是一个 editor 中的一个 Map，保存着要修改的数据，在将改动保存到 SP 的 Map（变量 mMap，里面保存着使用中的键值对 ） 后被清空。put 完成后就要调用 commit 或者 apply 进行保存。
public boolean commit() {
MemoryCommitResult mcr = commitToMemory();
SharedPreferencesImpl.this.enqueueDiskWrite(
mcr, null /* sync write on this thread okay */);
try {
mcr.writtenToDiskLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
return false;
}
notifyListeners(mcr);
return mcr.writeToDiskResult;
}
public void apply() {
final MemoryCommitResult mcr = commitToMemory();
final Runnable awaitCommit = new Runnable() {
public void run() {
try {
mcr.writtenToDiskLatch.await();
} catch (InterruptedException ignored) {
}
}
};
QueuedWork.add(awaitCommit);
Runnable postWriteRunnable = new Runnable() {
public void run() {
awaitCommit.run();
QueuedWork.remove(awaitCommit);
}
};
SharedPreferencesImpl.this.enqueueDiskWrite(mcr, postWriteRunnable);
// Okay to notify the listeners before it's hit disk
// because the listeners should always get the same
// SharedPreferences instance back, which has the
// changes reflected in memory.
notifyListeners(mcr);
}
可以看到，commit 和 apply 操作首先执行了 commitToMemory，顾名思义就是提交到内存，返回值是 MemoryCommitResult 类型，里面保存着本次提交的状态。然后 commit 调用 enqueueDiskWrite 会阻塞当前线程，而 apply 通过封装 Runnable 把写磁盘之后的操作传递给 enqueueDiskWrite 方法。
private MemoryCommitResult commitToMemory() {
MemoryCommitResult mcr = new MemoryCommitResult();
synchronized (SharedPreferencesImpl.this) {
// We optimistically don't make a deep copy until
// a memory commit comes in when we're already
// writing to disk.
// mDiskWritesInFlight 表示准备操作磁盘的进程数
if (mDiskWritesInFlight > 0) {
// We can't modify our mMap as a currently
// in-flight write owns it. Clone it before
// modifying it.
// noinspection unchecked
mMap = new HashMap<String, Object>(mMap);
}
mcr.mapToWriteToDisk = mMap;
mDiskWritesInFlight++;
// 把注册的 listeners 放到 mcr 中去，以便在数据写入的时候被回调
boolean hasListeners = mListeners.size() > 0;
if (hasListeners) {
mcr.keysModified = new ArrayList<String>();
mcr.listeners =
new HashSet<OnSharedPreferenceChangeListener>(mListeners.keySet());
}
synchronized (this) {
if (mClear) {
if (!mMap.isEmpty()) {
mcr.changesMade = true;
mMap.clear();
}
mClear = false;
}
for (Map.Entry<String, Object> e : mModified.entrySet()) {
String k = e.getKey();
Object v = e.getValue();
// "this" is the magic value for a removal mutation. In addition,
// setting a value to "null" for a given key is specified to be
// equivalent to calling remove on that key.
// 当值是 null 时，表示移除该键值对，在 editor 的 remove 实现中，并不是真正地移除，
// 而是把 value 赋值为当前 editor 对象
if (v == this || v == null) {
if (!mMap.containsKey(k)) {
continue;
}
mMap.remove(k);
} else {
if (mMap.containsKey(k)) {
Object existingValue = mMap.get(k);
if (existingValue != null && existingValue.equals(v)) {
continue;
}
}
mMap.put(k, v);
}
mcr.changesMade = true;
if (hasListeners) {
mcr.keysModified.add(k);
}
}
// 添加完成后把 editor 里的 map 清空
mModified.clear();
}
}
return mcr;
}
这是 MemoryCommitResult 类，主要用于提交到内存后返回结果，然后在写入磁盘时作为参数传递。
private static class MemoryCommitResult {
public boolean changesMade; // any keys different?
public List<String> keysModified; // may be null
public Set<OnSharedPreferenceChangeListener> listeners; // may be null
public Map<?, ?> mapToWriteToDisk;
public final CountDownLatch writtenToDiskLatch = new CountDownLatch(1);
public volatile boolean writeToDiskResult = false;
public void setDiskWriteResult(boolean result) {
writeToDiskResult = result;
writtenToDiskLatch.countDown();
}
}
下面看保存到磁盘的操作，enqueueDiskWrite 方法，参数有 MemoryCommitResult 和 Runnable，mcr 刚才说过，就看这个 Runnable 是干嘛的。在 commit 方法中调用 enqueueDiskWrite 方法是传入的 Runnable 是null，它会在当前线程直接执行写文件的操作，然后返回写入结果。而如果 Runnable 不是 null，那就使用 QueueWork 中的单线程执行。这就是 apply 和 commit 的根本区别：一个同步执行，有返回值；一个异步执行，没有返回值。大多数情况下，我们使用 apply 就够了，这也是官方推荐的做法。
private void enqueueDiskWrite(final MemoryCommitResult mcr,
final Runnable postWriteRunnable) {
final Runnable writeToDiskRunnable = new Runnable() {
public void run() {
synchronized (mWritingToDiskLock) {
// 真正写入文件
writeToFile(mcr);
}
synchronized (SharedPreferencesImpl.this) {
mDiskWritesInFlight--;
}
if (postWriteRunnable != null) {
postWriteRunnable.run();
}
}
};
final boolean isFromSyncCommit = (postWriteRunnable == null);
// Typical #commit() path with fewer allocations, doing a write on
// the current thread.
if (isFromSyncCommit) {
boolean wasEmpty = false;
synchronized (SharedPreferencesImpl.this) {
wasEmpty = mDiskWritesInFlight == 1;
}
if (wasEmpty) {
writeToDiskRunnable.run();
return;
}
}
// 把写文件的操作放到线程池中执行
QueuedWork.singleThreadExecutor().execute(writeToDiskRunnable);
}
再看一下具体写文件的代码 writeToFile 方法，关键点在代码中文注释部分。简单说就是备份 → 写入 → 检查 → 善后，这样保证了数据的安全性和稳定性。
private void writeToFile(MemoryCommitResult mcr) {
// Rename the current file so it may be used as a backup during the next read
if (mFile.exists()) {
if (!mcr.changesMade) {
// If the file already exists, but no changes were
// made to the underlying map, it's wasteful to
// re-write the file. Return as if we wrote it
// out.
mcr.setDiskWriteResult(true);
return;
}
// 首先把当前的文件备份
if (!mBackupFile.exists()) {
if (!mFile.renameTo(mBackupFile)) {
Log.e(TAG, "Couldn't rename file " + mFile
+ " to backup file " + mBackupFile);
mcr.setDiskWriteResult(false);
return;
}
} else {
mFile.delete();
}
}
// Attempt to write the file, delete the backup and return true as atomically as
// possible. If any exception occurs, delete the new file; next time we will restore
// from the backup.
try {
FileOutputStream str = createFileOutputStream(mFile);
if (str == null) {
mcr.setDiskWriteResult(false);
return;
}
// 然后把新数据写入文件
XmlUtils.writeMapXml(mcr.mapToWriteToDisk, str);
FileUtils.sync(str);
str.close();
ContextImpl.setFilePermissionsFromMode(mFile.getPath(), mMode, 0);
try {
final StructStat stat = Os.stat(mFile.getPath());
synchronized (this) {
mStatTimestamp = stat.st_mtime;
mStatSize = stat.st_size;
}
} catch (ErrnoException e) {
// Do nothing
}
// Writing was successful, delete the backup file if there is one.
// 写入成功删除备份文件
mBackupFile.delete();
mcr.setDiskWriteResult(true);
return;
} catch (XmlPullParserException e) {
Log.w(TAG, "writeToFile: Got exception:", e);
} catch (IOException e) {
Log.w(TAG, "writeToFile: Got exception:", e);
}
// Clean up an unsuccessfully written file
// 写入失败删除临时文件
if (mFile.exists()) {
if (!mFile.delete()) {
Log.e(TAG, "Couldn't clean up partially-written file " + mFile);
}
}
mcr.setDiskWriteResult(false);
}
4. 总结
通过 getSharedPreferences 可以获取 SP 实例，从首次初始化到读到数据会存在延迟，因为读文件的操作阻塞调用的线程直到文件读取完毕，如果在主线程调用，可能会对 UI 流畅度造成影响。
commit 会在调用者线程同步执行写文件，返回写入结果；apply 将写文件的操作异步执行，没有返回值。可以根据具体情况选择性使用，推荐使用 apply。
虽然支持设置 MODE_MULTI_PROCESS 标志位，但是跨进程共享 SP 存在很多问题，所以不建议使用该模式。
【附录】
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