设计高性能图片缓存组件并处理大图内存优化

题目

设计高性能图片缓存组件并处理大图内存优化

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

内存管理,多线程同步,缓存策略,图像处理,性能优化

快速回答

设计高性能图片缓存需实现：

• 三级缓存架构：内存缓存（NSCache）+ 磁盘缓存（FileManager）+ 网络下载
• LRU淘汰策略：通过双向链表实现最近最少使用淘汰
• 大图处理：使用ImageIO进行子采样（downsampling）
• 线程安全：GCD串行队列配合barrier保证读写安全
• 解码优化：后台线程解码并缓存解码后图像

1. 核心架构设计

三级缓存流程：

1. 检查内存缓存（NSCache）
2. 未命中则检查磁盘缓存（文件系统）
3. 最后发起网络请求并缓存结果

class ImageCache {
    private let memoryCache = NSCache<NSString, UIImage>()
    private let diskCacheDir: URL
    private let ioQueue = DispatchQueue(label: "com.cache.io", qos: .utility)

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

        // 2. 检查磁盘缓存
        var diskImage: UIImage?
        ioQueue.sync {
            let filePath = diskCachePath(for: url)
            diskImage = UIImage(contentsOfFile: filePath.path)
        }

        // 3. 网络请求（伪代码）
        if diskImage == nil {
            downloadImage(url) { image in
                self?.storeImage(image, for: url)
            }
        } else {
            memoryCache.setObject(diskImage!, forKey: url.absoluteString as NSString)
        }
        return diskImage
    }
}

2. 内存优化关键技术

大图子采样（Downsampling）：

func downsample(imageAt sourceURL: URL, to maxSize: CGSize) -> UIImage? {
    let imageSourceOptions = [kCGImageSourceShouldCache: false] as CFDictionary
    guard let imageSource = CGImageSourceCreateWithURL(sourceURL as CFURL, imageSourceOptions) else { return nil }

    let options: [CFString: Any] = [
        kCGImageSourceThumbnailMaxPixelSize: max(maxSize.width, maxSize.height),
        kCGImageSourceCreateThumbnailFromImageAlways: true,
        kCGImageSourceCreateThumbnailWithTransform: true
    ]

    guard let downsampledImage = CGImageSourceCreateThumbnailAtIndex(imageSource, 0, options as CFDictionary) else { return nil }
    return UIImage(cgImage: downsampledImage)
}

优势：避免加载全尺寸Bitmap到内存，内存占用降低80%+

3. 缓存策略实现

LRU双向链表实现：

class LRUCache<Key: Hashable, Value> {
    private class Node {
        var key: Key
        var value: Value
        var prev: Node?
        var next: Node?
    }

    private var head: Node?, tail: Node?
    private var cacheDict = [Key: Node]()
    private let lock = NSLock()

    func setValue(_ value: Value, for key: Key) {
        lock.lock()
        defer { lock.unlock() }

        if let node = cacheDict[key] {
            node.value = value
            moveToHead(node)
        } else {
            let newNode = Node(key: key, value: value)
            addNode(newNode)
            cacheDict[key] = newNode
        }
    }

    // 淘汰逻辑（伪代码）
    private func removeTail() {
        guard let tailNode = tail else { return }
        cacheDict.removeValue(forKey: tailNode.key)
        // 移除尾节点并更新链表
    }
}

4. 线程安全方案

• 读写锁模式：使用GCD barrier保证写操作独占
• 内存缓存：NSCache自带线程安全
• 磁盘操作：专用串行队列管理

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

func safeSetImage(_ image: UIImage, for key: String) {
    concurrentQueue.async(flags: .barrier) {
        self.memoryCache.setObject(image, forKey: key as NSString)
        self.saveToDisk(image, key: key) // 同步保存
    }
}

5. 常见错误与优化

6. 扩展知识

• 内存警告处理：监听UIApplication.didReceiveMemoryWarningNotification清空NSCache
• 渐进式加载：使用CGImageSourceCreateIncremental实现模糊→清晰加载
• WebP支持：集成libwebp解码器获得更高压缩率
• 缓存验证：HTTP ETag/Last-Modified头避免重复下载