APP 缓存数据线程安全问题探讨

问题

一般一个 iOS APP 做的事就是：请求数据->保存数据->展示数据，一般用 Sqlite 作为持久存储层，保存从网络拉取的数据，下次读取可以直接从 Sqlite DB 读取。我们先忽略从网络请求数据这一环节，假设数据已经保存在 DB 里，那我们要做的事就是，ViewController 从 DB 取数据，再传给 view 渲染：

这是最简单的情况，随着程序变复杂，多个 ViewController 都要向 DB 取数据，ViewController本身也会因为数据变化重新去 DB 取数据，会有两个问题：

• 数据每次有变动，ViewController 都要重新去DB读取，做 IO 操作。
• 多个 ViewController 之间可能会共用数据，例如同一份数据，本来在 Controller1 已经从 DB 取出来了，在 Controller2 要使用得重新去 DB 读取，浪费 IO。

对这里做优化，自然会想到在 DB 和 VC 层之间再加一层 cache，把从 DB 读取出来的数据 cache 在内存里，下次来取同样的数据就不需要再去磁盘读取 DB 了。

几乎所有的数据库框架都做了这个事情，包括微信读书开源的 GYDataCenter，CoreData，Realm 等。但这样做会导致一个问题，就是数据的线程安全问题。

按上面的设计，Cache层会有一个集合，持有从DB读取的数据。

除了 VC 层，其他层也会从cache取数据，例如网络层。上层拿到的数据都是对 cache 层这里数据的引用：

可能还会在网络层子线程，或其他一些用于预加载的子线程使用到，如果某个时候一条子线程对这个 Book1 对象的属性进行修改，同时主线程在读这个对象的属性，就会 crash，因为一般我们为了性能会把对象属性设为nonatomic，是非线程安全的，多线程读写时会有问题：

//Network
WRBook *book = [WRCache bookWithId:@“10000”];
book.fav = YES;   //子线程在写
[book save];

//VC1
WRBook *book = [WRCache bookWithId:@“10000”];
self.view.title = book.title;   //主线程在读

可以通过这个测试看到 crash 场景：

@interface TestMultiThread : NSObject
@property (nonatomic) NSArray *arr;
@end

@implementation TestMultiThread
@end

TestMultiThread *obj = [[TestMultiThread alloc] init];
for (int i = 0; i < 1000; i ++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        NSLog(@"%@", obj.arr);
    });
}
for (int i = 0; i < 1000; i ++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        obj.arr = [NSArray arrayWithObject:@“b"];
    });
}

解决方案

对这种情况，一般有三种解决方案：

1. 加锁

既然这个对象的属性是非线程安全的，那加锁让它变成线程安全就行了。可以给每个对象自定义一个锁，也可以直接用 OC 里支持的属性指示符 atomic：

@property (atomic) NSArray *arr;

这样就不用担心多线程同时读写的问题了。但在APP里大规模使用锁很可能会导致出现各种不可预测的问题，锁竞争，优先级反转，死锁等，会让整个APP复杂性增大，问题难以排查，并不是一个好的解决方案。

2. 分线程cache

另一种方案是一条线程创建一个 cache，每条线程只对这条线程对应的 cache 进行读写，这样就没有线程安全问题了。CoreData 和 Realm 都是这种做法，但这个方案有两个缺点：

• a.使用者需要知道当前代码在哪条线程执行。
• b.多条线程里的 cache 数据需要同步。

CoreData 在不同线程要创建自己的 NSManagedObjectContext，这个 context 里维护了自己的 cache，如果某条子线程没有创建 NSManagedObjectContext，要读取数据就需要通过 performBlockAndWait: 等接口跑到其他线程去读取。如果多个 context 需要同步 cache 数据，就要调用它的 merge 方法，或者通过 parent-children context 层级结构去做。这导致它多线程使用起来很麻烦，API 友好度极低。

Realm 做得好一点，会在线程 runloop 开始执行时自动去同步数据，但如果线程没有 runloop 就需要手动去调 Realm.refresh() 同步。使用者还是需要明确知道代码在哪条线程执行，避免在多线程之间传递对象。

3.数据不可变

我们的问题是多线程同时读写导致，那如果只读不写，是不是就没有问题了？数据不可变指的就是一个数据对象生成后，对象里的属性值不会再发生改变，不允许像上述例子那样 book.fav = YES 直接设置，若一个对象属性值变了，那就新建一个对象，直接整个替换掉这个旧的对象：

//WRCache
@implementation WRCache
+(void) updateBookWithId:(NSString *)bookId params:(NSDictionary *)params
{
    [WRDBCenter updateBookWithId:@“10000” params:{@“fav”: @(YES)}]; //更新DB数据
    WRBook *book = [WRDBCenter readBookWithId:bookId]; //重新从DB读取，新对象
    [self.cache setObject:book forKey:bookId];  //整个替换cache里的对象
}
@end

self.book = [WRCache bookWithId:@“10000”];
// book.fav = YES;   //不这样写
[WRCache updateBookWithId:@“10000” params:{@“fav”: @(YES)}]; //在cache里整个更新
self.book = [WRCache bookWithId:@“10000”];   //重新读取对象

这样就不会再有线程安全问题，一旦属性有修改，就整个数据重新从DB读取，这些对象的属性都不会再有写操作，而多线程同时读是没问题的。

但这种方案有个缺陷，就是数据修改后，会在 cache 层整个替换掉这个对象，但这时上层扔持有着旧的对象，并不会自动把对象更新过来：

所以怎样让上层更新数据呢？有两种方式，push 和 pull。

a. push

push 的方式就是 cache 层把更新 push 给上层，cache对整个对象更新替换掉时，发送广播通知上层，这里发通知的粒度可以按需求斟酌，上层监听自己关心的通知，如果发现自己持有的对象更新了，就要更新自己的数据，但这里的更新数据也是件挺麻烦的事。

举个例子，读书有一个想法列表WRReviewController，存着一个数组 reviews，保存着想法 review 数据对象，数组里的每一个 review 会持有这个这个想法对应的一本书，也就是 review.book 持有一个 WRBook 数据对象。然后这时 cache 层通知这个 WRReviewController，某个 book 对象有属性变了，这时这个 WRReviewController 要怎样处理呢？有两个选择：

• 遍历 reviews 数组，再遍历每一个 review 里的 book 对象，如果更新的是这个 book 对象，就把这个 book 对象替换更新。
• 什么都不管，只要有数据更新的通知过来，所有数据都重新往 cache 层读一遍，重新组装数据，界面全部刷新。

第一种是精细化的做法，优点是不影响性能，缺点是蛋疼，工作量增多，还容易漏更新，需要清楚知道当前模块持有了哪些数据，有哪些需要更新。第二种是粗犷的做法，优点是省事省心，全部大刷一遍就行了，缺点是在一些复杂页面需要组装数据，会对性能造成较大影响。

b. pull

另一种 pull 的方式是指上层在特定时机自己去判断数据有没有更新。

首先所有数据对象都会有一个属性，暂时命名为 dirty，在 cache 层更新替换数据对象前，先把旧对象的 dirty 属性设为 YES，表示这个旧对象已经从 cache 里被抛弃了，属于脏数据，需要更新。然后上层在合适的时候自行去判断自己持有的对象的 dirty 属性是否为 YES，若是则重新在 cache 里取最新数据。

实际上这样做发生了多线程读写 dirty 属性，是有线程安全问题的，但因为 dirty 属性读取不频繁，可以直接给这个属性的读写加锁，不会像对所有属性加锁那样引发各种问题，解决对这个 dirty 属性读写的线程安全问题。

这里主要的问题是上层应该在什么时机去 pull 数据更新。可以在每次界面显示 -viewWillAppear 或用户操作后去检查，例如用户点个赞，就可以触发一次检查，去更新赞的数据，在这两个地方做检查已经可以解决90%的问题，剩下的就是同个界面联动的问题，例如 iPad 邮件左右两栏两个 controller，右边详情点个收藏，左边列表收藏图标也要高亮，这种情况可以做特殊处理，也可以结合上面 push 的方式去做通知。

push 和 pull 两种是可以结合在一起用的，pull 的方式弥补了 push 后数据全部重新读取大刷导致的性能低下问题，push 弥补了 pull 更新时机的问题，实际使用中配合一些事先制定的规则或框架一起使用效果更佳。

总结

对于 APP 缓存数据线程安全问题，分线程 cache 和数据不可变是比较常见的解决方案，都有着不同的实现代价，分线程 cache 接口不友好，数据不可变需要配合单向数据流之类的规则或框架才会变得好用，可以按需选择合适的方案。