深入理解okio的优化思想

随着越来越多的应用使用OKHttp来进行网络访问，我们有必要去深入研究OKHTTP的基石，一套更加轻巧方便高效的IO库okio.

OKIO的优点

有同学或会问，目前Java的IO已经非常成熟了，为什么还要使用新的IO库呢？笔者认为，答案有以下几点：

1. 低的CPU和内存消耗。后面我们会分析到，okio采用了segment的机制进行内存共享和复用，尽可能少的去申请内存，同时也就降低了GC的频率。我们知道，过于频繁的GC会给应用程序带来性能问题。
2. 使用方便。在OKIO中，提供了ByteString来处理不变的byte序列，在内存上做了优化，不管是从byte[]到String或是从String到byte[]，操作都非常轻快，同时还提供了如hex字符，base64等工具。而Buffer是处理可变byte序列的利器，它可以根据使用情况自动增长，在使用过程中也不用去关心position等位置的处理。
3. N合一。Java的原生IO，InputStream/OutputStream, 如果你需要读取数据，如读取一个整数，一个布尔，或是一个浮点，你需要用DataInputStream来包装，如果你是作为缓存来使用，则为了高效，你需要使用BufferedOutputStream。在OKIO中BufferedSink/BufferedSource就具有以上基本所有的功能，不需要再串上一系列的装饰类。
4. 提供了一系列的方便工具，如GZip的透明处理，对数据计算md5、sha1等都提供了支持，对数据校验非常方便。

OKIO的框架设计

OKIO之所以轻量，他的代码非常清晰。最重要的两个接口分别是Source和Sink。

Source

这个接口主要用来读取数据，而数据的来源可以是磁盘，网络，内存等，同时还可以对接口进行扩展处理，比如解压，解密，去掉不需要的网络帧等。

public interface Source extends Closeable {
  /**
   * Removes at least 1, and up to {@code byteCount} bytes from this and appends
   * them to {@code sink}. Returns the number of bytes read, or -1 if this
   * source is exhausted.
   */
  long read(Buffer sink, long byteCount) throws IOException;

  /** Returns the timeout for this source. */
  Timeout timeout();

  /**
   * Closes this source and releases the resources held by this source. It is an
   * error to read a closed source. It is safe to close a source more than once.
   */
  @Override void close() throws IOException;
}

对于Source的子类，我们需要重点关注BufferedSource。它同样是个接口，不过它提供了更多的操作方法。

而RealBufferedSource是它的直接实现类。实现了其所有接口。它们的关系如下。

而实际上，RealBufferedSource的实现，是基于Buffer类。这个类我们后面再讲

Sink

Sink与Source相似，只不过是写数据。

public interface Sink extends Closeable, Flushable {
  /** Removes {@code byteCount} bytes from {@code source} and appends them to this. */
  void write(Buffer source, long byteCount) throws IOException;

  /** Pushes all buffered bytes to their final destination. */
  @Override void flush() throws IOException;

  /** Returns the timeout for this sink. */
  Timeout timeout();

  /**
   * Pushes all buffered bytes to their final destination and releases the
   * resources held by this sink. It is an error to write a closed sink. It is
   * safe to close a sink more than once.
   */
  @Override void close() throws IOException;
}

同样，它也有个子类BufferedSink，定义了对数据的所有操作。它的直接类RealBufferedSink也同样是使用Buffer来完成。

Buffer

Buffer是okio中非常重要的一个类，是整个okio库的基石，很多的优化思想，都体现在这个类中。不多废话，我们先看这个类的继承关系。

可以看到，这个Buffer是个集大成者，实现了BufferedSink和BufferedSource的接口，也就是说，即可以从中读取数据，也可以向里面写入数据，其强大之处是毋庸置疑的。在前面提到的okio的优点，如低的cpu消耗，低频的GC等，都是在这个类中做到的。后面的章节中我将详细讲述。

ByteString

byteString是相对独立的一个类，也可以看作是一个工具类。它的功能我们看一下方法就一目了然。

可以看到，有计算md5,sha1的摘要功能，也有大小写转换功能，还有十六进制字符转换功能等等。这个类我不打算细讲，因为非常简单，不过要提到一点的是它的几个字段。

  final byte[] data;
  transient String utf8; // Lazily computed.

由于此类是不可变的（创建后之后不能修改其数据)，因些它是以byte[]为基础。同时又包含了String，虽然是延时初始化，但也是包含了双倍的字符串数据，它的内存占用相对比较大，它适用于不长的字符串，又需要频繁的编码转换的，用空间换时间，可以降低CPU的消耗，毕意new String(byte[] data)这样的开销还是比较大的。

ByteString还有个子类SegmentedByteString，后面在讲Buffer再介绍。

Okio

Okio是入口类，提供一些从JavaAPI到OkioAPI的转换，其作用是一个适配器(adapter）。比如从File/Socket创建Sink/Source，从InputStream/OutputStream创建Source/Sink等，这样我们就把这套API与Java联系在一起，可以使用了。

Buffer的设计原理

接下来我们来介绍这个Buffer。

Buffer的实现，是通过一个循环双向链表来实现的。每一个链表元素是一个Segment。

Seqment

final class Segment {
  /** 每一个segment所含数据的大小，固定的 */
  static final int SIZE = 8192;

  /** 用于共享的最小字节数，后面再解释 */
  static final int SHARE_MINIMUM = 1024;

  final byte[] data;  

  /** data数组中下一个读取的数据的位置 */
  int pos;

  /** data数组中下一个写入的数据的位置 */
  int limit;

  /** data数组被其他segsment所共享的标志 */
  boolean shared;

  /** 是否是自己是操作者 */
  boolean owner;

  /** Next segment in a linked or circularly-linked list. */
  Segment next;

  /** Previous segment in a circularly-linked list. */
  Segment prev;

}

在segment中有几个有意思的方法。

compact方法

  /**
   * Call this when the tail and its predecessor may both be less than half
   * full. This will copy data so that segments can be recycled.
   */
  public void compact() {
    if (prev == this) throw new IllegalStateException();
    if (!prev.owner) return; // Cannot compact: prev isn‘t writable.
    int byteCount = limit - pos;
    int availableByteCount = SIZE - prev.limit + (prev.shared ? 0 : prev.pos);
    if (byteCount > availableByteCount) return; // Cannot compact: not enough writable space.
    writeTo(prev, byteCount);
    pop();
    SegmentPool.recycle(this);
  }

当Segment的前一个和自身的数据量都不足一半时，会对segement进行压缩，把自身的数据写入到前一个Segment中，然后将自身进行回收。

split

将一个Segment的数据拆成两个，注意，这里有trick。如果有两个Segment相同的字节超过了SHARE_MINIMUM （1024），那么这两个Segment会共享一份数据，这样就省去了开辟内存及复制内存的开销，达到了提高性能的目的。

public Segment split(int byteCount) {
    if (byteCount <= 0 || byteCount > limit - pos) throw new IllegalArgumentException();
    Segment prefix;

    // We have two competing performance goals:
    //  - Avoid copying data. We accomplish this by sharing segments.
    //  - Avoid short shared segments. These are bad for performance because they are readonly and
    //    may lead to long chains of short segments.
    // To balance these goals we only share segments when the copy will be large.
    if (byteCount >= SHARE_MINIMUM) {
      prefix = new Segment(this);
    } else {
      prefix = SegmentPool.take();
      System.arraycopy(data, pos, prefix.data, 0, byteCount);
    }

    prefix.limit = prefix.pos + byteCount;
    pos += byteCount;
    prev.push(prefix);
    return prefix;
  }

SegmentPool

这是一个回收池，目前的设计是能存放64K的字节，即8个Segment。在实际使用中，建议对其进行调整。

final class SegmentPool {
  /** The maximum number of bytes to pool. */
  // TODO: Is 64 KiB a good maximum size? Do we ever have that many idle segments?
  static final long MAX_SIZE = 64 * 1024; // 64 KiB.

  /** Singly-linked list of segments. */
  static Segment next;

  /** Total bytes in this pool. */
  static long byteCount;
    ...
}

讲到这里，整个Buffer的实现原理也就呼之欲出了。

Buffer的写操作，实际上就是不断增加Segment的一个过程，读操作，就是不断消耗Segment中的数据，如果数据读取完，则使用SegmentPool进行回收。
当复制内存数据时，使用Segment的共享机制，多个Segment共享一份data[]。

Buffer更多的逻辑主要是跨Segment读取数据，需要把前一个Segment的尾端和后一个Segment的前端拼接在一起，因此看起来代码量相对多，但其实开销非常低。

TimeOut机制

在Okio中定义了一个类叫TimeOut，主要用于判断时间是否超过阈值，超过之后就抛出中断异常。

 public void throwIfReached() throws IOException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedIOException("thread interrupted");
    }

    if (hasDeadline && deadlineNanoTime - System.nanoTime() <= 0) {
      throw new InterruptedIOException("deadline reached");
    }
  } 

有意思的是，定义了一个异步的Timeout类AsyncTimeout。在其中使用了一个WatchDog的后台线程。而AsyncTimeout本身是以有序链表的方式，按照超时的时间进行排序。在其head是一个占位的AsyncTime，主要用于启动WatchDog线程。这种异步超时主要可以用在当时间到时，就可以立即获得通知，不需要等待某阻塞方法返回时，才知道超时了。使用异步超时，timeout方法在发生超时会进行回调，需要重载timedOut（）方法以处理超时事件。

小结

通过学习Okio的源代码，我们可以了解常用的应用程序优化方法及技术细节。