前言：由于知识点多，分了多个记录。

MMKV（ 一） 了解原理
MMKV （二）基础知识点和实现流程解析
MMKV (三) POSIX线程和文件锁

POSIX线程

POSIX，全称为可移植性操作系统接口。它包括了系统应用程序接口(简称API)。该标准的目的是定义了标准的 基于UNIX操作系统的系统接口和环境来支持源代码级的可移植性，致力于提供基于不同语言的规范。POSIX的线程 标准，定义了创建和操纵线程的一套API。

基本使用

#include <iostream>                                   
#include <queue>                                      
#include <pthread.h>                                  
void *run(void* args) { //异步方法                        
    int i = *(int*)args; // 1                         
    printf("%d\n",i);                                 
    return 0;                                         
}                                                     
int main() {                                          
    int i = 1; //线程参数                                 
    pthread_t pid;                                    
    pthread_create(&pid, 0, run, &i);//创建线程           
    pthread_join(pid,0);                              
    // 等待线程结束                                         
    system("pause");                                  
    return 0;                                         
                                                      
}                                                     

线程同步

多线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会引起冲突。需要引入线程“同步”机制，即各位线程之间有序 地对共享资源进行操作。

#include <pthread.h>
using namespace std;
queue<int> q;
void *pop(void* args) {
//线程未同步导致的多线程安全问题 // 会有重复的数据取出并出现异常 if (!q.empty())
{
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop(); }
else { printf("无数据\n");
}

return 0; }
int main() {
for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
q.push(i); }
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
    }
system("pause");
return 0; }
  

互斥量

pthread_mutex_t互斥量就是一把锁。 当一个线程要访问一个共享变量时，先用锁把变量锁住，操作完了之后再 释放掉锁。
当另一个线程也要访问这个变量时，发现这个变量被锁住了，此时无法访问，一直等待直到锁没了，才能够上锁与 使用。
使用互斥量前要先初始化，使用的函数如下:

加入互斥锁

queue<int> q;
pthread_mutex_t mutex; //互斥量:锁 void *pop(void* args) {
// 锁 pthread_mutex_lock(&mutex); if (!q.empty())
{
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop(); }
else { printf("无数据\n");
}
// 放 pthread_mutex_unlock(&mutex); return 0;
}
int main() {
//初始化互斥锁 
pthread_mutex_init(&mutex, 0); for (size_t i = 0; i < 5; i++)
{
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
    }
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(pid[i], 0);
    }
//需要释放 pthread_mutex_destroy(&mutex); system("pause");
return 0;
}
#include <iostream> #include <queue> #include <pthread.h>
using namespace std; //互斥量 : 锁 pthread_mutex_t mutex;
queue<int> q;
void test(){
pthread_mutex_lock(&mutex); //线程阻塞，死锁 printf("队列大小:%d\n", q.size()); pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *pop(void* args) {
int ret= pthread_mutex_lock(&mutex); if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop(); }
else { printf("无数据\n");
}
test(); //死锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); return 0;
}
 

但是pthread_mutex_t锁是默认是非递归的，即不可重入锁。如果一个线程多次获取同一个非递归锁，则会产生死 锁:

#include <iostream> 
#include <queue> 
#include <pthread.h>
using namespace std; //互斥量 : 锁
 pthread_mutex_t mutex;
queue<int> q;
void test(){
pthread_mutex_lock(&mutex); //线程阻塞，死锁
 printf("队列大小:%d\n", q.size()); pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *pop(void* args) {
int ret= pthread_mutex_lock(&mutex); if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop(); }
else { printf("无数据\n");
}
test(); //死锁 
pthread_mutex_unlock(&mutex); 
return 0;
}
  pthread_mutex_destroy(&mutex);

创建递归锁需要在初始化 pthread_mutex_t 时指明:

 
// 锁的属性 : pthread_mutex_t锁默认是非递归的 

pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);

// 设置为递归锁
pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE); 

// 初始化mutex

pthread_mutex_init(&mutex, &attr); // 完成初始化后即可释放 

pthread_mutexattr_destroy(&attr);

条件变量

条件变量是线程间进行同步的一种机制，主要包括两个动作:一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起; 另一个线程使"条件成立",从而唤醒挂起线程

template<class T>
class SafeQueue {
public:
    SafeQueue() {
        pthread_mutex_init(&mutex, 0);
    }

    ~SafeQueue() {
        pthread_mutex_destory(&mutex);
    }

    void enqueue(T t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        q.push(t);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    int dequeue(T &t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (!q.empty()) {
            t = q.front();
            q.pop();
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            return 1;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return 0;
    }

private:
    queue <T> q;
    pthread_mutex_t mutex;
};
  

上面的模板类存放数据T，并使用互斥锁保证对queue的操作是线程安全的。这就是一个生产/消费模式。 如果需要在取出数据的时候，queue为空，则一直等待，直到下一次enqueue加入数据。 此时可以加入条件变量使 “dequeue” 挂起,直到由其他地方唤醒:

#include <queue>
#include <pthread.h>

using namespace std;

template<class T>
class SafeQueue {
    queue<T> q;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond; //条件变量
public:
    SafeQueue() {
        pthread_mutex_init(&mutex, 0);
        pthread_cond_init(&cond, 0); //初始化
    }

    ~SafeQueue() {
        pthread_mutex_destory(&mutex);
        pthread_cond_destory(&cond); //销毁
    }

    void enqueue(T t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        q.push(t);
//发出信号 通知挂起线程
// 1、由系统唤醒一个线程(随机)
// pthread_cond_signal(&cond);
// 2、广播 唤醒所有等待条件线程
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    int dequeue(T &t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
//可能因为某些特殊条件虚假唤醒 所以while循环等待唤醒。(与Java的wait一样)
        while (q.empty()) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //等待并自动释放互斥锁
        }
        t = q.front();
        q.pop();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return 1;
    }
};

存在三个线程，分别为:生产者P、消费者C1与C2。
1、C1从队列中取出数据，此时队列为空;
2、C2也想从队列中获取一个元素，但此时队列为空，C2进入阻塞(cond.wait())，等待队列非空;
3、 P将一个元素入队，并唤醒条件变量;
4、C1与C2接收到唤醒信号，解除阻塞状态，上锁并获取队列中的元素;
5、C2优先获取到锁，移除队列元素并释放锁;
6、C1此时操作的队列为空，被虚假唤醒。

自动管理

在使用pthread_mutex_t时，lock之后，一定需要unlock。为了防止忘记解锁，同时方便使用，可以利用C++中构 造方法与析构方法对锁进行封装，实现锁的自动管理。

#include <pthread.h>

//封装互斥量: 锁
class ThreadLock {
private:
    pthread_mutex_t m_lock;
public:
    ThreadLock() {
//递归锁
        pthread_mutexattr_t attr;
        pthread_mutexattr_init(&attr);
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
        pthread_mutex_init(&m_lock, &attr);
        pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    }

    ~ThreadLock() {
        pthread_mutex_destroy(&m_lock);
    }

    void lock() {
        auto ret = pthread_mutex_lock(&m_lock);
        if (ret != 0) { //失败
        }
    }

    bool try_lock() {
        auto ret = pthread_mutex_trylock(&m_lock);
        return (ret == 0);
    }

    void unlock() {
        auto ret = pthread_mutex_unlock(&m_lock);
        if (ret != 0) {
//失败
        }
    }
};


//模板类
template<typename T>
class ScopedLock {
    T *m_lock;

//禁止使用编译器默认生成的函数
//默认拷贝构造与=赋值
    ScopedLock(const ScopedLock<T> &other) = delete;

    ScopedLock &operator=(const ScopedLock<T> &other) = delete;

public: //构造方法中上锁
    ScopedLock(T *oLock) : m_lock(oLock) {
        assert(m_lock);
        lock();
    }

//析构方法解除锁
    ~ScopedLock() {
        unlock();

        m_lock = nullptr;
    }

    void lock() {
        if (m_lock) {
            m_lock->lock();
        }
    }

    bool try_lock() {
        if (m_lock) {
            return m_lock->try_lock();
        }
        return false;
    }

    void unlock() {
        if (m_lock) {
            m_lock->unlock();
        }
    }

};
//宏函数 __COUNTER__:初始值为0，编译单元内每出现一次出现该宏,便会加1。
#define SCOPEDLOCK(lock) _SCOPEDLOCK(lock, __COUNTER__)
#define _SCOPEDLOCK(lock, counter) __SCOPEDLOCK(lock, counter)
//decltype:推断变量类型;__scopedLock##counter(&lock):##为连接符
#define __SCOPEDLOCK(lock, counter) ScopedLock<decltype(lock)> __scopedLock##counter(&lock)
 
//使用 
ThreadLock lock;

void test() {
//创建 ScopedLock<ThreadLock> __scopedLock1对象，使用lock上锁 
    SCOPEDLOCK(lock);
//退出方法 执行__scopedLock1析构，解锁lock
}
  

文件锁

在多个进程同时操作同一份文件的过程中，很容易导致文件中的数据混乱，需要锁操作来保证数据的完整性。 在在
最新版本的MMKV中使用flock文件锁来完成多进程操作文件的同步

 
#include <sys/file.h>
// Returns 0 on success, or -1 on error
int flock (int fd, int operation);

flock()系统调用是在整个文件中加锁，通过对传入的fd所指向的文件进行操作，然后在通过operation参数所设置 的值来确定做什么样的操作。operation可以赋如下值:

• LOCK_SH，共享锁，多个进程可以使用同一把锁:读锁;
• LOCK_EX，排他锁，同时只允许一个进程使用:写锁;
• LOCK_UN，释放锁
• LOCK_BN，发起非阻塞请求,如:LOCK_SH|LOCK_BN。
  任意数量的进程可同时持有一个文件上的共享锁(读锁)，但只能有一个进程能够持有一个文件上的互斥锁(写 锁)。flock支持锁升级:只有自己进程存在读锁，可以直接升级为写锁，在转换的过程中首先会删除既有的锁，然 后创建新锁 。若其他进程存在读锁，需要等待释放读锁;

在设计MMKV中的文件锁需要实现:

• 递归锁
  意思是如果一个进程/线程已经拥有了锁，那么后续的加锁操作不会导致卡死，并且解锁也不会导致外层的锁 被解掉。对于文件锁来说，前者是满足的，后者则不然。因为文件锁是状态锁，没有计数器，无论加了多少 次锁，一个解锁操作就全解掉。只要用到子函数，就非常需要递归锁。

• 锁升级/降级
  锁升级是指将已经持有的共享锁，升级为互斥锁，亦即将读锁升级为写锁;锁降级则是反过来。文件锁支持 锁升级，但是容易死锁:假如 A、B 进程都持有了读锁，现在都想升级到写锁，就会陷入相互等待的困境，发 生死锁。另外，由于文件锁不支持递归锁，也导致了锁降级无法进行，一降就降到没有锁。

为了解决这两个难题，需要对文件锁进行封装，增加读锁、写锁计数器。

• 加写锁时，如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁(try_lock )，try_lock 失败说明其他进程持有了读 锁，我们需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以避免死锁的发生。
• 解写锁时，假如之前曾经持有读锁，那么我们不能直接释放掉写锁，这样会导致读锁也解了。我们应该加一 个读锁，将锁降级。

读锁计数器	写锁计数器	加读锁	加写锁	解读锁	解写锁
0	0	加读锁	加写锁	-	-
0	1	+1	+1	-	解读锁
0	N	+1	+1	-	-1
1	0	+1	解读锁再加写锁	解读锁	-
1	1	+1	+1	-1	加读锁
1	N	+1	+1	-1	-1
N	0	+1	解读锁再加写锁	-1	-
N	1	+1	+1	-1	加读锁
N	N	+1	+1	-1	-1

读技技术器和写计数器一起作为条件，在单独看其他列

基于上诉原理，封装flock文件锁C++类为:

class FileLock {

    //文件句柄
    int m_fd;
    //文件锁
    flock m_lockInfo;
    //读计数
    size_t m_sharedLockCount;
    //写计数
    size_t m_exclusiveLockCount;

    bool doLock(LockType lockType, bool wait);

    bool isFileLockValid() { return m_fd >= 0; }

    FileLock(const FileLock &other) = delete;

    FileLock &operator=(const FileLock &other) = delete;

public:
    FileLock(int fd) : m_fd(fd), m_sharedLockCount(0), m_exclusiveLockCount(0) {}


    bool lock(LockType lockType);

    bool try_lock(LockType lockType);

    bool unlock(LockType lockType);
};

在实现中，关键在于对读写计数器的操作，加锁:

bool FileLock::doLock(LockType lockType, bool wait) {
    if (!isFileLockValid()) {
        return false;
    }
    bool unLockFirstIfNeeded = false;

    if (lockType == SharedLockType) {

        m_sharedLockCount++;
        // 如果本进程之前被上过读锁或者写锁 还未释放，那么不再加读锁
        if (m_sharedLockCount > 1 || m_exclusiveLockCount > 0) {
            return true;
        }
    } else {
        m_exclusiveLockCount++;
        // 如果本进程之前上过写锁还未释放
        if (m_exclusiveLockCount > 1) {
            return true;
        }
        // 如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁，
        // try_lock 失败说明其他进程持有了读锁，需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以免其他进程也在请求加写锁造成死锁
        if (m_sharedLockCount > 0) {
            unLockFirstIfNeeded = true;
        }
    }

    int realLockType = LockType2FlockType(lockType);
    // LOCK_NB： 不阻塞
    int cmd = wait ? realLockType : (realLockType | LOCK_NB);

    if (unLockFirstIfNeeded) {
        // try lock，这里肯定就是 LOCK_EX|LOCK_NB ，
        auto ret = flock(m_fd, realLockType | LOCK_NB);
        if (ret == 0) { //加锁成功
            return true;
        }
        // 加锁失败, 先把自己的读锁释放
         flock(m_fd, LOCK_UN);
    }

    auto ret = flock(m_fd, cmd); //加锁lock方法都是阻塞
    if (ret != 0) {
        return false;
    } else {
        return true;
    }
}

解锁：

bool FileLock::lock(LockType lockType) {
    return doLock(lockType, true);
}

bool FileLock::try_lock(LockType lockType) {
    return doLock(lockType, false);
}

bool FileLock::unlock(LockType lockType) {
    if (!isFileLockValid()) {
        return false;
    }
    bool unlockToSharedLock = false;

    if (lockType == SharedLockType) {
        if (m_sharedLockCount == 0) {
            //没锁解，失败
            return false;
        }
        m_sharedLockCount--;
        // 计数器不为0，不解锁
        if (m_sharedLockCount > 0 || m_exclusiveLockCount > 0) {
            //本次解锁完成
            return true;
        }
    } else {
        if (m_exclusiveLockCount == 0) {
            return false;
        }
        m_exclusiveLockCount--;
        if (m_exclusiveLockCount > 0) {
            return true;
        }
        // 写锁解除完了（计数为0）并且读锁还有计数，还原锁为读锁
        if (m_sharedLockCount > 0) {
            unlockToSharedLock = true;
        }
    }

    int cmd = unlockToSharedLock ? LOCK_SH : LOCK_UN;
    auto ret = flock(m_fd, cmd);
    if (ret != 0) {
        return false;
    } else {
        return true;
    }
}

MMKV多进程设计

上面我们讲过了flock文件锁能够实现同一时间只有一个进程在操作持久化文件，但是如果存在AB进程，在B进程修 改完成之后，A进程如何知道B进程的修改?

MMKV 本质上是将文件 mmap 到内存块中，将新增的 key-value 统统 append 到内存中;到达边界后，进行重整 回写以腾出空间，空间还是不够的话，就 double 内存空间;对于内存文件中可能存在的重复键值，MMKV 只选用 最后写入的作为有效键值。那么其他进程为了保持数据一致，就需要处理这三种情况:写指针增长、内存重整、内 存增长。但首先还得解决一个问题:怎么让其他进程感知这三种情况?

• 写指针的同步
  我们可以在每个进程内部缓存自己的写指针，然后在写入键值的同时，还要把最新的写指针位置也写到 mmap 内存中;这样每个进程只需要对比一下缓存的指针与 mmap 内存的写指针，如果不一样，就说明其他 进程进行了写操作。事实上 MMKV 原本就在文件头部保存了有效内存的大小，这个数值刚好就是写指针的内 存偏移量，我们可以重用这个数值来校对写指针。
• 内存重整的感知
  考虑使用一个单调递增的序列号，每次发生内存重整，就将序列号递增。将这个序列号也放到 mmap 内存 中，每个进程内部也缓存一份，只需要对比序列号是否一致，就能够知道其他进程是否触发了内存重整。
• 内存增长的感知
  事实上 MMKV 在内存增长之前，会先尝试通过内存重整来腾出空间，重整后还不够空间才申请新的内存。所 以内存增长可以跟内存重整一样处理。至于新的内存大小，可以通过查询文件大小来获得，无需在 mmap 内 存另外存放。

在MMKV中会生成一份与数据文件同名的.crc文件，此文件中记录两个关键数据:数据内容的crc校验码与单调递增 的序列号。

CRC校验码:循环冗余校验 ，类似文件MD5值。我们下载软件往往会附带MD5值，如AS。比较MD5值就能 知道文件是否合法、完整，一旦修改了文件数据，MD5值将不匹配。
递增的序列号:每次去重、扩容即执行全量更新，序列号+1并记录在crc文件中，不匹配则需要重新解析全部 文件。

每次写入与获取数据需要执行以下检查:

void MMKV::checkLoadData() {
    if (!m_isInterProcess) {
        return;
    }
    MMKVMetaInfo metaInfo;
    metaInfo.read(m_metaFile.getMemory());
    //本次读取和记录的不同
    if (m_metaInfo.m_sequence != metaInfo.m_sequence) {
        //内存重整，序列号递增
        // 当一个进程发现内存被重整了，就意味着原写指针前面的键值全部失效，那么最简单的做法是全部抛弃掉，从头开始重新加载一遍。
        LOGI("checkData:序列号改变");
        SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
        clearMemoryState();
        loadFromFile();
    } else if (m_metaInfo.m_crcDigest != metaInfo.m_crcDigest) {
        LOGI("checkData:校验码改变");
        SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
        size_t fileSize = 0;
        struct stat st = {0};
        if (fstat(m_fd, &st) != -1) {
            fileSize = (size_t) st.st_size;
        }
        if (m_size != fileSize) {
            // 发生文件增长，必然已经先发生了内存重整，与内存重整一样的处理
            LOGI("checkData:文件大小改变");
            clearMemoryState();
            loadFromFile();
        } else {
            LOGI("checkData:写指针增长");
            // 文件大小不变，可能写指针增长
            partialLoadFromFile();
        }
    }
}