设计一个高性能的图片缓存组件

题目

设计一个高性能的图片缓存组件

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

内存管理,磁盘存储,多线程处理,缓存策略,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（文件系统）+ 网络下载
• 线程安全：使用串行队列管理读写操作
• 缓存淘汰策略：LRU内存管理 + 文件过期清理
• 解码优化：后台线程解码图片并缩放至视图尺寸
• 请求合并：对相同URL的并发请求进行合并

核心架构设计

高性能图片缓存应包含三级结构：

class ImageCache {
    // 1. 内存缓存（线程安全访问）
    private let memoryCache = NSCache<NSString, UIImage>()

    // 2. 磁盘缓存目录
    private let diskCacheURL: URL

    // 3. 操作队列与状态管理
    private let serialQueue = DispatchQueue(label: "com.imageCache.queue")
    private var runningRequests = [String: [ImageRequest]]()
}

关键技术实现

1. 内存缓存优化

• 使用NSCache自动释放内存（优于Dictionary）
• 设置成本计算：memoryCache.totalCostLimit = 1024 * 1024 * 100 // 100MB
• 成本计算规则：cost = image.size.height * image.size.width * 4（RGBA）

2. 磁盘缓存实现

// 文件存储路径
func storeToDisk(data: Data, key: String) {
    let fileURL = diskCacheURL.appendingPathComponent(key)
    try? data.write(to: fileURL)
}

// 使用FileManager属性记录访问时间
let attributes: [FileAttributeKey: Any] = [
    .creationDate: Date(),
    .modificationDate: Date() // 用于LRU
]

3. 多线程处理

• 下载队列：OperationQueue限制最大并发数
• 解码队列：专用后台队列处理CPU密集型解码
• 回调主线程：DispatchQueue.main.async更新UI

4. 请求合并机制

func loadImage(url: URL, completion: @escaping (UIImage?) -> Void) {
    serialQueue.async {
        // 存在相同请求时追加回调
        if var existingRequests = self.runningRequests[url.absoluteString] {
            existingRequests.append(ImageRequest(completion: completion))
            return
        }

        // 创建新请求
        let request = ImageRequest(completion: completion)
        self.runningRequests[url.absoluteString] = [request]

        self.startDownload(url: url) // 触发下载
    }
}

缓存策略实现

LRU内存淘汰

// 使用双向链表实现
class LRUCacheNode {
    let key: NSString
    var value: UIImage
    var prev: LRUCacheNode?
    var next: LRUCacheNode?
}

// 访问时移动节点到链表头部
func moveToHead(_ node: LRUCacheNode) {
    removeNode(node)
    addToHead(node)
}

磁盘清理策略

• 后台定期清理（如App进入后台时）
• 按文件修改时间排序，删除最旧文件
• 设置最大磁盘空间（如200MB）

性能优化点

• 解码优化：使用UIGraphicsImageRenderer替代UIGraphicsBeginImageContext
• 降采样：对大图使用ImageIO进行缩略图解码
• 预加载：对即将显示的图片触发低优先级下载

常见错误

• 线程爆炸：未限制下载队列并发数导致卡顿
• 内存峰值：同步解码大尺寸图片阻塞主线程
• 缓存穿透：未处理重复请求导致多次下载
• 磁盘碎片：频繁小文件写入降低IO性能

扩展知识

• 渐进式加载：支持JPEG渐进式渲染
• 格式优化：根据设备选择HEIC/JPEG格式存储
• 响应式设计：监听UIApplication.didReceiveMemoryWarningNotification清空内存缓存
• 性能指标：使用Instruments的Core Animation和Time Profiler调试