设计高性能图片缓存组件并解决线程安全与内存抖动问题

题目

设计高性能图片缓存组件并解决线程安全与内存抖动问题

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

多级缓存设计,线程安全实现,内存优化,缓存淘汰策略,网络请求优化

快速回答

高性能图片缓存组件的核心设计要点：

• 三级缓存架构：内存缓存（NSCache）+ 磁盘缓存（FileManager）+ 网络下载
• 线程安全：使用串行队列+屏障保证读写安全
• 内存优化：解码后图片存储、自动清理机制、Downsampling技术
• 缓存策略：LRU淘汰算法+Cost-based清理
• 网络优化：请求合并、任务取消、渐进式加载

1. 核心架构设计

三级缓存工作流：

func loadImage(url: URL) -> UIImage? {
    // 1. 检查内存缓存
    if let memCached = memoryCache.object(forKey: url.absoluteString) {
        return memCached
    }

    // 2. 检查磁盘缓存
    if let diskCached = diskCache.getImage(for: url) {
        // 异步解码后存入内存
        DispatchQueue.global().async {
            let decoded = self.decodeImage(diskCached)
            self.memoryCache.setObject(decoded, forKey: url.absoluteString)
        }
        return diskCached
    }

    // 3. 网络下载
    downloadTask = URLSession.shared.dataTask(with: url) { data, _, _ in
        guard let data = data else { return }
        // 后台线程处理
        DispatchQueue.global().async {
            // 下采样大图
            let downsampled = self.downsampleImage(data, to: imageViewSize)
            // 磁盘存储
            self.diskCache.storeImage(downsampled, for: url)
            // 内存缓存
            self.memoryCache.setObject(downsampled, forKey: url.absoluteString)
        }
    }
    downloadTask?.resume()
}

2. 线程安全实现

使用GCD屏障保证读写安全：

private let syncQueue = DispatchQueue(label: "com.cache.sync", attributes: .concurrent)

func safeSetImage(_ image: UIImage, for key: String) {
    syncQueue.async(flags: .barrier) {
        self.memoryCache[key] = image
        // 更新LRU链表
        self.accessRecorder.moveToHead(for: key)
    }
}

3. 内存优化关键技术

• Downsampling：处理大图时使用ImageIO进行下采样

  func downsampleImage(data: Data, to size: CGSize) -> UIImage {
      let options = [kCGImageSourceShouldCacheImmediately: false]
      guard let source = CGImageSourceCreateWithData(data as CFData, options as CFDictionary) else { return }
  
      let maxDimension = max(size.width, size.height) * UIScreen.main.scale
      let downsampleOptions = [
          kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageAlways: true,
          kCGImageSourceShouldCacheImmediately: true,
          kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform: true,
          kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize: maxDimension
      ] as CFDictionary
  
      guard let cgImage = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(source, 0, downsampleOptions) 
      else { return }
  
      return UIImage(cgImage: cgImage)
  }

• 解码后存储：避免主线程解码卡顿
• Cost-based清理：根据图片像素大小计算cost

4. 缓存淘汰策略

LRU实现方案：

class LRUCache {
    private class CacheNode {
        var key: String
        var value: UIImage
        var prev: CacheNode?
        var next: CacheNode?
    }

    private var head: CacheNode?
    private var tail: CacheNode?
    private var cacheMap = [String: CacheNode]()

    func moveToHead(for key: String) {
        guard let node = cacheMap[key] else { return }
        // ... 链表节点移动操作
    }

    func removeLast() {
        guard let tailNode = tail else { return }
        cacheMap.removeValue(forKey: tailNode.key)
        // ... 更新链表
    }
}

5. 网络请求优化

• 请求合并：相同URL只创建一个任务
• 任务取消：cell复用时的请求取消

  func tableView(_ tableView: UITableView, didEndDisplaying cell: UITableViewCell) {
      if let task = cell.currentImageTask {
          task.cancel()
      }
  }

• 渐进式加载：支持JPEG渐进式显示

6. 常见错误与解决方案

7. 扩展知识

• 响应式内存警告：监听UIApplication.didReceiveMemoryWarningNotification清空缓存
• 磁盘缓存加密：使用SQLCipher加密敏感图片
• WebP支持：集成libwebp解码器
• Prefetching：结合UITableViewDataSourcePrefetching预加载