从零手写实现简易版MMKV（一）

概述

MMKV是支持多平台的高性能键值对持久化存储组件，其核心原理是利用mmap内存映射文件，关于它的详细介绍和更多原理参看MMKV开源git地址。

从零开始手写（其实是抄写-.-!）简易版MMKV（另起名叫EZKV），即先只关注最核心的功能（实现最小化系统），再从主干开枝散叶，逐步进行完善。

预期目标

第一版目标仅实现最基本的key-value数据存储和读取功能，先忽略数据加密、数据校验、数据容错、跨平台、线程同步、进程同步、ASHMEM等等等。

其中还涉及到几个比较关键的前置知识，需要提前熟悉：

• 【mmap内存映射文件】 最核心的原理。
• 【protobuf变长编码】 数据存储格式，key-value写入、读取、计算大小都是按照变长编码方式。必须先知道原理，才能理解代码中的位运算操作。

技术设计

主要逻辑在Native层，Java作为门面通过JNI调用C/C++。

以下列举了几个关键类的作用：

EZKV即操作门面，一个EZKV实例对应一个存储key-value数据的文件：

• m_mmapID：EZKV ID，默认为"ezkv.default"
• m_path：数据文件路径，EZKVPath_t是std::string的类型别名
• m_dic：缓存key-value的容器，EZKVMAP即std::unordered_map<std::string, KeyValueHolder>
• m_file：表示内存映射文件
• m_actualSize：记录存储的key-value数据的内容的大小
• m_output：用于写入key-value的辅助类

MemoryFile表示内存映射文件，封装内存映射相关操作，记录内存信息：

• m_name：数据文件路径
• m_fd：数据文件描述符
• m_ptr：m_fd内存映射分配的起始地址
• m_size：文件大小，也是映射内存分配的大小

KeyValueHolder用于记录一条KV对。注意m_dic中的value项不是直接存的value值，而是KeyValueHolder，通过其中记录的信息再来获取映射内存中的值：

• computedKVSize：基于offset的偏移量 = key size + key + value size， 可以直接定位到该KV对的value值
• keySize：key值占用的大小
• valueSize：value值占用的大小
• offset：从m_ptr开始到该KV对的偏移量，可以快速定位到该KV对

MMBuffer作用相当于读取或写入时的缓冲区：

union {
   
  struct {
   
    MMBufferCopyFlag isNoCopy;
    size_t size; // 几字节数据
    void *ptr; // 内存起始地址
  };
  struct {
   
    uint8_t paddedSize;
    // make at least 10 bytes to hold all primitive types (negative int32, int64, double etc) on 32 bit device
    // on 64 bit device it's guaranteed larger than 10 bytes
    uint8_t paddedBuffer[10]; // 用于存储较小的基本类型的值，存储在栈上，而不是堆上，避免malloc和free
  };
};

CodedOutputData用于写入数据，封装了写入的方法：

• m_ptr：写入到的区域的起始地址
• m_size：可写入区域的大小
• m_position：当前写入位置

CodedOutputData用于读取数据，封装了读取的方法：

• m_ptr：从区域读取的起始地址
• m_size：可读取区域的大小
• m_position：当前读取位置

编码实现

完整项目工程见GitHub：https://github.com/chidehang/EZKV/tree/practice01

SDK初始化

初始化主要完成三件事：
1.加载库、动态注册函数
2.初始化一些全局变量
3.创建存放数据文件的目录

提供给接入方的初始化方法，首先获取存储数据文件的目录的路径，接着加载库，最后调用native方法进行初始化，核心逻辑都在native方法中：

[EZKV.java]

public static String initialize(Context context) {
   
  String root = context.getFilesDir().getAbsolutePath() + "/ezkv";

  // 加载so库
  System.loadLibrary("ezkv");

  // 传入目录进行初始化
  nInitialize(root);
  EZKV.rootDir = root;
  return EZKV.rootDir;
}

private static native void nInitialize(String rootDir);

JNI中函数有静态注册和动态注册，这里采用动态注册的方式，当执行loadLibrary后会回调JNI_OnLoad函数，在该函数中进行函数绑定注册：

[native-bridge.cpp]

extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    // 提前缓存后续会用到但不会改变的jclass和g_fileID
    g_currentJVM = vm;
    JNIEnv *env;
    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void **>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return -1;
    }

    if (g_cls) {
        env->DeleteGlobalRef(g_cls);
    }
    static const char *clsName = "com/cdh/ezkv/EZKV";
    jclass instance = env->FindClass(clsName);
    if (!instance) {
        LOGE("fail to locate class: %s", clsName);
        return -2;
    }
    g_cls = reinterpret_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(instance));
    if (!g_cls) {
        LOGE("fail to create global reference for %s", clsName);
        return -3;
    }

    // 动态注册函数
    int ret = registerNativeMethods(env, g_cls);
    if (ret != 0) {
        LOGE("fail to register native methods for class %s, ret = %d", clsName, ret);
        return -4;
    }

    g_fileID = env->GetFieldID(g_cls, "nativeHandle", "J");
    if (!g_fileID) {
        LOGE("fail to locate fileID");
        return -5;
    }

    return JNI_VERSION_1_6;
}

TIPS：通常在库加载时提前缓存会用到的jclass和g_fileID，避免JNI调用时再查找，提升效率。

进一步看registerNativeMethods函数，在该方法中注册函数映射表：

[native-bridge.cpp]

static JNINativeMethod g_methods[] = {
        {"nInitialize", "(Ljava/lang/String;)V", (void *) ezkv::nInitialize},
        {"nGetDefaultEZKV", "()J", (void *) ezkv::nGetDefaultEZKV},
        {"nPageSize", "()J", (void *) ezkv::nPageSize},
        {"nEncodeInt", "(JLjava/lang/String;I)Z", (void *) ezkv::nEncodeInt},
        {"nDecodeInt", "(JLjava/lang/String;I)I", (void *) ezkv::nDecodeInt},
        {"nEncodeString", "(JLjava/lang/String;Ljava/lang/String;)Z", (void *) ezkv::nEncodeString},
        {"nDecodeString", "(JLjava/lang/String;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Str