iOS 缓存分析之 cache_t

2023-11-13 01:36:59

深入探究 iOS 缓存机制：了解 cache_t 结构

缓存是 iOS 开发中的关键机制，用于存储常用数据，以提升应用程序的性能和响应能力。cache_t 结构是 iOS 中用于管理缓存的核心数据结构。深入理解其作用、内存布局以及缓存机制的实现，将使开发者能够优化应用程序的内存使用和性能。

cache_t 结构的职责

cache_t 结构负责管理缓存，其主要职责包括：

存储缓存元数据，如缓存大小、元素数量和命中率。
维护缓存中元素的列表。
提供访问和修改缓存中元素的接口。

cache_t 结构的内存布局

cache_t 结构在内存中占用 64 个字节，其布局如下：

struct cache_t {
    uint32_t _flags;
    uint32_t _capacity;
    uint32_t _num_elements;
    uint32_t _hash_count;
    uint32_t *_buckets;
    struct cache_item_t *_items;
};

_flags ：用于指示缓存状态和配置的 32 位标志字段。
_capacity ：表示缓存容量（最大元素数量）的 32 位无符号整数。
_num_elements ：表示缓存中当前元素数量的 32 位无符号整数。
_hash_count ：表示哈希桶数量的 32 位无符号整数。
_buckets ：指向哈希桶数组的 32 位无符号整数指针。
_items ：指向缓存项数组的缓存项结构指针。

哈希表实现

cache_t 结构使用哈希表来存储缓存元素。哈希表由哈希桶数组组成，每个桶都存储指向链表的指针，链表中包含缓存元素。

哈希函数用于将每个元素映射到哈希桶。查找或插入元素时，使用哈希函数计算元素哈希值，然后根据哈希值确定要使用的哈希桶。

插入和查找元素

插入缓存元素时，计算其哈希值并使用该值确定要使用的哈希桶。如果哈希桶中已有相同哈希值的元素，则用新元素替换旧元素。否则，将新元素添加到哈希桶中。

查找缓存元素时，使用与插入时相同的哈希函数计算其哈希值。然后，使用该哈希值确定要使用的哈希桶，并在哈希桶的链表中查找具有匹配哈希值的元素。

缓存淘汰策略

当缓存达到其容量时，需要一种策略来确定哪些元素应从缓存中删除以腾出空间给新元素。iOS 使用最近最少使用 (LRU) 淘汰策略，即删除最近最少使用的元素。

LRU 策略通过在每个缓存项中维护时间戳来实现。时间戳表示元素上次被访问的时间。删除元素时，找到具有最早时间戳的元素并将其从缓存中删除。

代码示例

以下代码示例演示了如何使用 cache_t 结构创建和管理缓存：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

struct cache_t *cache_create(uint32_t capacity) {
    struct cache_t *cache = malloc(sizeof(struct cache_t));
    cache->_flags = 0;
    cache->_capacity = capacity;
    cache->_num_elements = 0;
    cache->_hash_count = 1024;
    cache->_buckets = malloc(sizeof(uint32_t) * cache->_hash_count);
    cache->_items = malloc(sizeof(struct cache_item_t) * cache->_capacity);
    return cache;
}

void cache_insert(struct cache_t *cache, uint32_t key, void *value) {
    // 计算哈希值并确定哈希桶
    uint32_t hash = hash_function(key);
    uint32_t bucket = hash % cache->_hash_count;

    // 在哈希桶中查找匹配的元素
    struct cache_item_t *item = cache->_buckets[bucket];
    while (item != NULL) {
        if (item->key == key) {
            // 找到匹配元素，更新其值
            item->value = value;
            return;
        }
        item = item->next;
    }

    // 未找到匹配元素，创建一个新元素
    item = malloc(sizeof(struct cache_item_t));
    item->key = key;
    item->value = value;
    item->next = cache->_buckets[bucket];
    cache->_buckets[bucket] = item;

    // 更新缓存元数据
    cache->_num_elements++;
}

void *cache_lookup(struct cache_t *cache, uint32_t key) {
    // 计算哈希值并确定哈希桶
    uint32_t hash = hash_function(key);
    uint32_t bucket = hash % cache->_hash_count;

    // 在哈希桶中查找匹配的元素
    struct cache_item_t *item = cache->_buckets[bucket];
    while (item != NULL) {
        if (item->key == key) {
            // 找到匹配元素，返回其值
            return item->value;
        }
        item = item->next;
    }

    // 未找到匹配元素，返回 NULL
    return NULL;
}

void cache_destroy(struct cache_t *cache) {
    // 释放哈希桶和缓存项
    free(cache->_buckets);
    free(cache->_items);

    // 释放缓存本身
    free(cache);
}