带你深入探索okio组件的奥秘 提升IO效率

 

赵东阳

OpenHarmony TPC

前不久，三方组件库上新了一批JS/eTS组件，其中就包括okio组件。okio是一个可应用于OpenAtom OpenHarmony（以下简称“OpenHarmony”）的高效IO库，它依托于系统能力，提供字符串的编解码转换能力，基础数据类型的读写能力以及支持对文件读写的能力。本期将为大家介绍okio的工作原理及使用方法。  

一、okio的产生背景
 

IO，即输入输出（Input/Output）。绝大多数应用都需要与外部进行数据交互，这就会涉及IO。系统提供了IO能力，在使用系统IO时，通常需要一个中间缓冲区来保存读取到的数据。数据先从输入流缓冲区复制到中间缓冲区，再从中间缓冲区复制到输出流缓冲区。中间多次拷贝，降低了IO效率，同时增加了系统消耗。为了满足开发者对IO的更高要求，三方组件库推出IO处理利器——okio（JS版本）。okio使用Segment作为数据存储容器，通过提供Segment移动、共享、合并和分割的能力，让数据读写变得非常灵活，也减少了数据复制，提升了IO效率。此外，okio还通过SegmentPool对Segment进行回收和复用，减少大量创建Segment带来的系统消耗。下面就带大家深入了解JS版本的okio的工作原理，探索它是如何提升IO效率的。  

二、两个基本概念
 

在深入解析okio的工作原理之前，我们先来了解两个基本概念：Segment和SegmentPool。  1. Segmentokio将数据分割成一块块的片段存放在Segment里面。Segment是一个数据存储的真正类，内部维护着一个大小为8192字节的字节数组用于存储数据。Segment最小可共享、可写入的数据大小为1024字节。Segment使用pos、limit、shared、owner、prev、next来分别记录读写位置、是否可写入、是否能共享、数据拥有者、前置节点和后置节点信息。Segment对外提供sharedCopy、unsharedCopy、split、push、pop、compact、writeTo等接口用于操作数据。Segment同时拥有前置节点和后置节点，构成一个双向链表。读取数据的时候，从双向链表的头部开始读取；而写入数据的时候，从双向链表的尾部写入数据。  2. SegmentPool为了管理Segment，okio维护了一个Segment对象池（即SegmentPool），对废弃的Segment回收、复用和内存共享，从而减少内存的申请和GC（garbage collection，垃圾收集）的频率，使性能得到优化。SegmentPool是一个由最多8个Segment组成的单链表。一个Segment的最大大小是8192字节（即8KB），所以SegmentPool的最大大小是64KB。  

三、okio的工作原理
 

okio组件最重要的功能就是“读”和“写”。下面我们就从读写开始，了解okio的工作原理。  1. 读写数据okio读写数据的过程中，遵循大块数据移动、小块数据复制的原则。okio从输入流读取数据到输入流缓冲区时，会先找到双向链表尾部的Segment节点，如果此节点的剩余容量足够，则直接将读取到的数据存入到此节点。如果此节点的剩余容量不足，则从SegmentPool里面取一个Segment链接到双向链表的尾部，然后将数据存入这个新节点。okio从输入流缓冲区读取数据，再写入数据到输出流缓冲区。这个过程比较复杂，有以下几种情况：（1） 从输入流缓冲区获取到Segment，如果数据是满的（字节数组data长度为8092字节），那么直接修改此Segment的prev和next信息，将其添加到输出流缓冲区的双向链表的尾部，省去一次数据复制过程。  

图1 大块数据移动  （2） 从输入流缓冲区获取到Segment（假设为Segment1），如果数据不是满的，可以通过pos和limit信息来确定segment1的可读数据，再和输出流缓冲区的双向链表的尾部节点（假设为Segment2）的剩余容量进行对比：

如果Segment1的可读数据比Segment2的剩余容量小，则把Segment1的数据复制到Segment2，然后回收Segment1到SegmentPool。

如果Segment1的可读数据比Segment2的剩余容量大，那么直接修改Segment1的prev和next信息，将其添加到Segment2的后面。

（3） 从输入流缓冲区获取到Segment（假设为Segment3），如果只需要传递部分数据（比如总数据为4096字节，只传递1024字节），okio会通过split接口将Segment3拆分成含3072字节数据的Segment3-1和含1024字节数据的Segment3-2，然后按照（2）的逻辑将Segment3-2的数据写入输出流缓冲区。

 

图2 Segment拆分

 

拆分Segment的时候，可以通过参数指定拆分后的第一个Segment含有的未读字节数（byteCount）。拆分后，第一个Segment包含的数据范围是[pos,pos+byteCount)，第二个Segment包含的数据范围是[pos+byteCount,limit)。拆分Segment时也遵循大块数据移动、小块数据复制的原则。当byteCount大于1024时，使用共享的Segment，否则复制数据。

（注：文件、流、socket相关的IO优化需要系统支持，待后续版本优化提供。）

 

2. Segment的回收与复用

接下来，我们再来看看SegmentPool是如何回收和复用Segment的。

每次okio想要获取Segment就从SegmentPool中获取，使用完毕后又会放回到SegmentPool中复用，核心方法为take()和recycle()。

（1）take()方法

take()方法负责从对象池单链表的头部获取可以使用的Segment。如果获取不到，说明单链表是空的，此时新创建一个Segment给缓冲区使用。如果能获取到，则取出单链表的头部节点，再将下一个节点置为单链表的头部节点，并将取出来的Segment的next置空，同时更新对象池大小。

（2）recycle()方法

recycle()方法负责回收缓冲区里面使用完毕的Segment。回收开始时，首先更新对象池大小，然后把回收对象Segment添加到单链表头部，接着重置Segment的pos和limit为0。注意，以下情况不会回收Segment：

● 当前Segment的prev和next不为空

● 当前Segment是共享的

● 对象池已经有8个Segment了

 

3. 字符串处理

除了Segment和SegmentPool外，okio还封装了ByteString类来进行字符串处理。ByteString提供Base64编解码、utf-8编码、十六进制编解码、大小写转换、内容比较等丰富的API，可以很方便地处理字符串。

在进行字符串处理时，由于ByteString同时持有原始字符串和对应的字节数组，可以直接使用字节数组里面的数据进行操作，不需要先将字符串转换为字节数组。特别是在频繁转换编码的场景下，通过这种以空间换时间的方式，可以避免字符串与字节数组的多次转换，减少了时间和系统性能消耗。

 

四、okio的使用及示例

1. 前置配置

步骤一：在entry 的package.json文件中添加以下依赖项。

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"dependencies": {    "okio": "^1.0.0"  }

步骤二：配置仓库镜像地址。

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

步骤三：DevEco Studio的Terminal里面输入以下命令下载源代码。

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cd entrynpm install @ohos/okio

步骤四：文件的头部引入okio库。

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 import okio from '@ohos/okio';

步骤五：在config.json文件中申请存储权限。

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 "reqPermissions": [      {        "name": "ohos.permission.WRITE_USER_STORAGE", //写入用户存储的权限        "reason": "Storage",        "usedScene": {          "when": "always",          "ability": [            "com.example.okioapplication.MainAbility"
        }      },      {        "name": "ohos.permission.READ_USER_STORAGE", //读取用户存储的权限        "reason": "Storage",        "usedScene": {          "when": "always",          "ability": [            "com.example.okioapplication.MainAbility"          ]        }      },      {        "name": "ohos.permission.WRITE_EXTERNAL_MEDIA_MEMORY", //写入外部存储的权限        "reason": "Storage",        "usedScene": {          "when": "always",          "ability": [            "com.example.okioapplication.MainAbility"          ]        }      }    ]

 

2. 代码实现

执行完上面的配置操作后，就可以进入代码编写阶段了。开发者可以使用okio提供的丰富的API接口来实现功能。下面为大家展示四个实现示例，供大家参考学习。

示例1：文件写入和读取

 

 

本示例通过sink将内容写入文件，通过source从文件读取内容。代码如下：

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//通过sink将内容写入文件var sink = new okio.Sink(this.fileUri);sink.write(this.Value,false); //通过source从文件读取内容var source = new okio.Source(this.fileUri);source.read().then(function (data) { context.readValue = data;    }).catch(function (error) {console.log("error=>"+error);    });

 

示例2：Base64解码 

 

 

本示例通过ByteString实现Base64解码功能，代码如下：

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let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString(''); //生成ByteString对象let decodeBase64 = byteStringObj.decodeBase64('SGVsbG8gd29ybGQ='); //解码Base64字符串this.decodeBase64Value = JSON.stringify(decodeBase64); //显示解码结果

 

示例3：十六进制解码

 

 

本示例通过ByteString实现十六进制解码功能，代码如下：

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let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString('');let decodehex = byteStringObj.decodeHex('48656C6C6F20776F726C640D0A');this.decodeHexValue = JSON.stringify(decodehex);

 

示例4：Utf8编码

 

 

本示例通过ByteString实现Utf8编码功能，代码如下：

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let byteStringObj = new okio.ByteString.ByteString('');let encodeUtf8 = byteStringObj.encodeUtf8('Hello world #4  ( ͡ㆆ ͜ʖ ͡ㆆ)');this.encodeUtf8Value = JSON.stringify(encodeUtf8);

 

本期okio组件就为大家介绍到这里了。okio组件已开源，欢迎大家参与贡献，开源地址如下：

https://gitee.com/openharmony-tpc/okio