okio的工作原理及使用方法

前不久，三方組件庫上新了一批JS/eTS組件，其中就包括okio組件。okio是一個可應(yīng)用于HarmonyOS的高效IO庫，它依托于系統(tǒng)能力，提供字符串的編解碼轉(zhuǎn)換能力，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的讀寫能力以及對文件讀寫的支持。本期將為大家介紹okio的工作原理及使用方法。

一、okio的產(chǎn)生背景

IO，即輸入輸出（Input/Output）。絕大多數(shù)應(yīng)用都需要與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這就會涉及IO。系統(tǒng)提供了IO能力，在使用系統(tǒng)IO時，通常需要一個中間緩沖區(qū)來保存讀取到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)先從輸入流緩沖區(qū)復(fù)制到中間緩沖區(qū)，再從中間緩沖區(qū)復(fù)制到輸出流緩沖區(qū)。中間多次拷貝，降低了IO效率，同時增加了系統(tǒng)消耗。

為了滿足開發(fā)者對IO的更高要求，三方組件庫推出IO處理利器——okio（JS版本）。

okio使用Segment作為數(shù)據(jù)存儲容器，通過提供Segment移動、共享、合并和分割的能力，讓數(shù)據(jù)讀寫變得非常靈活，也減少了數(shù)據(jù)復(fù)制，提升了IO效率。此外，okio還通過SegmentPool對Segment進(jìn)行回收和復(fù)用，減少大量創(chuàng)建Segment帶來的系統(tǒng)消耗。

下面就帶大家深入了解JS版本的okio的工作原理，探索它是如何提升IO效率的~

二、兩個基本概念

在深入解析okio的工作原理之前，我們先來了解兩個基本概念：Segment和SegmentPool。

1. Segment

okio將數(shù)據(jù)分割成一塊塊的片段存放在Segment里面。Segment是一個數(shù)據(jù)存儲的真正類，內(nèi)部維護(hù)著一個大小為8192字節(jié)的字節(jié)數(shù)組用于存儲數(shù)據(jù)。Segment最小可共享、可寫入的數(shù)據(jù)大小為1024字節(jié)。Segment使用pos、limit、shared、owner、prev、next來分別記錄讀寫位置、是否可寫入、是否能共享、數(shù)據(jù)擁有者、前置節(jié)點和后置節(jié)點信息。Segment對外提供sharedCopy、unsharedCopy、split、push、pop、compact、writeTo等接口用于操作數(shù)據(jù)。

Segment同時擁有前置節(jié)點和后置節(jié)點，構(gòu)成一個雙向鏈表。讀取數(shù)據(jù)的時候，從雙向鏈表的頭部開始讀??；而寫入數(shù)據(jù)的時候，從雙向鏈表的尾部寫入數(shù)據(jù)。

2. SegmentPool

為了管理Segment，okio維護(hù)了一個Segment對象池（即SegmentPool），對廢棄的Segment回收、復(fù)用和內(nèi)存共享，從而減少內(nèi)存的申請和GC（garbage collection，垃圾收集）的頻率，使性能得到優(yōu)化。SegmentPool是一個由最多8個Segment組成的單鏈表。一個Segment的最大大小是8192字節(jié)（即8KB），所以SegmentPool的最大大小是64KB。

三、okio的工作原理

okio組件最重要的功能就是“讀”和“寫”。下面我們就從讀寫開始，了解okio的工作原理。

1. 讀寫數(shù)據(jù)

okio讀寫數(shù)據(jù)的過程中，遵循

大塊數(shù)據(jù)移動、小塊數(shù)據(jù)復(fù)制

的原則。okio從輸入流讀取數(shù)據(jù)到輸入流緩沖區(qū)時，會先找到雙向鏈表尾部的Segment節(jié)點，如果此節(jié)點的剩余容量足夠，則直接將讀取到的數(shù)據(jù)存入到此節(jié)點。如果此節(jié)點的剩余容量不足，則從SegmentPool里面取一個Segment鏈接到雙向鏈表的尾部，然后將數(shù)據(jù)存入這個新節(jié)點。okio從輸入流緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，再寫入數(shù)據(jù)到輸出流緩沖區(qū)。這個過程比較復(fù)雜，有以下幾種情況：

(1) 從輸入流緩沖區(qū)獲取到Segment，如果數(shù)據(jù)是滿的（字節(jié)數(shù)組data長度為8092字節(jié)），那么直接修改此Segment的prev和next信息，將其添加到輸出流緩沖區(qū)的雙向鏈表的尾部，省去一次數(shù)據(jù)復(fù)制過程。

圖1大塊數(shù)據(jù)移動

(2) 從輸入流緩沖區(qū)獲取到Segment（假設(shè)為Segment1），如果數(shù)據(jù)不是滿的，可以通過pos和limit信息來確定segment1的可讀數(shù)據(jù)，再和輸出流緩沖區(qū)的雙向鏈表的尾部節(jié)點（假設(shè)為Segment2）的剩余容量進(jìn)行對比：

如果Segment1的可讀數(shù)據(jù)比Segment2的剩余容量小，則把Segment1的數(shù)據(jù)復(fù)制到Segment2，然后回收Segment1到SegmentPool。如果Segment1的可讀數(shù)據(jù)比Segment2的剩余容量大，那么直接修改Segment1的prev和next信息，將其添加到Segment2的后面。

(3) 從輸入流緩沖區(qū)獲取到Segment（假設(shè)為Segment3），如果只需要傳遞部分?jǐn)?shù)據(jù)（比如總數(shù)據(jù)為4096字節(jié)，只傳遞1024字節(jié)），okio會通過split接口將Segment3拆分成含3072字節(jié)數(shù)據(jù)的Segment3-1和含1024字節(jié)數(shù)據(jù)的Segment3-2，然后按照（2）的邏輯將Segment3-2的數(shù)據(jù)寫入輸出流緩沖區(qū)。

圖2 Segment拆分

拆分Segment的時候，可以通過參數(shù)指定拆分后的第一個Segment含有的未讀字節(jié)數(shù)（byteCount）。拆分后，第一個Segment包含的數(shù)據(jù)范圍是[pos,pos+byteCount)，第二個Segment包含的數(shù)據(jù)范圍是[pos+byteCount,limit)。拆分Segment時也遵循大塊數(shù)據(jù)移動、小塊數(shù)據(jù)復(fù)制的原則。當(dāng)byteCount大于1024時，使用共享的Segment，否則復(fù)制數(shù)據(jù)。

(注：文件、流、socket相關(guān)的IO優(yōu)化需要系統(tǒng)支持，待后續(xù)版本優(yōu)化提供。)

2. Segment的回收與復(fù)用

接下來，我們再來看看SegmentPool是如何回收和復(fù)用Segment的。

每次okio想要使用Segment就從SegmentPool中獲取，使用完畢后又會放回到SegmentPool中等待復(fù)用，核心方法為take()和recycle()。

(1) take()方法

take()方法負(fù)責(zé)從對象池單鏈表的頭部獲取可以使用的Segment。如果獲取不到，說明單鏈表是空的，此時新創(chuàng)建一個Segment給緩沖區(qū)使用。如果能獲取到，則取出單鏈表的頭部節(jié)點，再將下一個節(jié)點置為單鏈表的頭部節(jié)點，并將取出來的Segment的next置空，同時更新對象池大小。

(2) recycle()方法

recycle()方法負(fù)責(zé)回收緩沖區(qū)里面使用完畢的Segment?；厥臻_始時，首先更新對象池大小，然后把回收對象Segment添加到單鏈表頭部，接著重置Segment的pos和limit為0。注意，以下情況不會回收Segment：

當(dāng)前Segment的prev和next不為空

當(dāng)前Segment是共享的

對象池已經(jīng)有8個Segment了

3. 字符串處理

除了Segment和SegmentPool外，okio還封裝了ByteString類來進(jìn)行字符串處理。ByteString提供Base64編解碼、utf-8編碼、十六進(jìn)制編解碼、大小寫轉(zhuǎn)換、內(nèi)容比較等豐富的API，可以很方便地處理字符串。在進(jìn)行字符串處理時，由于ByteString同時持有原始字符串和對應(yīng)的字節(jié)數(shù)組，可以直接使用字節(jié)數(shù)組里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，不需要先將字符串轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組。特別是在頻繁轉(zhuǎn)換編碼的場景下，通過這種以空間換時間的方式，可以避免字符串與字節(jié)數(shù)組的多次轉(zhuǎn)換，減少了時間和系統(tǒng)性能消耗。

四、okio的使用及示例

1. 前置配置

步驟一：在entry 的package.json文件中添加以下依賴項。

"dependencies": {

步驟二：配置倉庫鏡像地址。

npm config set @ohos:registry=https://repo.harmonyos.com/npm/

步驟三：DevEco Studio的Terminal里面輸入以下命令下載源代碼。

cd entry

步驟四：文件的頭部引入okio庫。

 import okio from '@ohos/okio';

步驟五：在config.json文件中申請存儲權(quán)限。

2. 代碼實現(xiàn)

執(zhí)行完上面的配置操作后，就可以進(jìn)入代碼編寫階段了。開發(fā)者可以使用okio提供的豐富的API接口來實現(xiàn)功能。下面為大家展示四個實現(xiàn)示例，供大家參考學(xué)習(xí)。

示例1：文件寫入和讀取

本示例通過sink將內(nèi)容寫入文件，通過source從文件讀取內(nèi)容。代碼如下：

//通過sink將內(nèi)容寫入文件

示例2：Base64解碼

本示例通過ByteString實現(xiàn)Base64解碼功能，代碼如下：

let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString(''); //生成ByteString對象

示例3：十六進(jìn)制解碼

本示例通過ByteString實現(xiàn)十六進(jìn)制解碼功能，代碼如下：

let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString('');

示例4：Utf8編碼

本示例通過ByteString實現(xiàn)Utf8編碼功能，代碼如下：

let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString('');

本期okio組件就為大家介紹到這里了。okio組件已開源，歡迎大家參與貢獻(xiàn)。