设计一个图片下载和缓存机制

题目

设计一个图片下载和缓存机制

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

网络请求, 缓存策略, 多线程管理, 内存管理

快速回答

实现一个高效的图片下载缓存机制需要：

• 使用NSCache实现内存缓存，响应内存警告
• 采用NSOperationQueue管理下载任务，控制并发量
• 磁盘缓存使用FileManager存储到Caches目录
• 下载过程使用URLSessionDataTask支持渐进式加载
• 处理重复请求和线程安全问题

核心设计原理

高效图片缓存机制需分层实现：
1. 内存缓存：使用NSCache存储解码后的图片，比Dictionary更优（自动释放内存）
2. 磁盘缓存：将图片数据写入Caches目录，使用FileManager管理
3. 下载队列：通过OperationQueue控制并发，避免线程爆炸

代码实现示例

class ImageLoader {
    static let shared = ImageLoader()

    // 内存缓存
    private let memoryCache = NSCache<NSString, UIImage>()
    // 下载队列
    private let downloadQueue = OperationQueue()
    // 追踪进行中的任务
    private var runningRequests = [UUID: URLSessionDataTask]()

    init() {
        downloadQueue.maxConcurrentOperationCount = 5
        // 内存警告处理
        NotificationCenter.default.addObserver(
            self,
            selector: #selector(clearMemoryCache),
            name: UIApplication.didReceiveMemoryWarningNotification,
            object: nil
        )
    }

    @objc func clearMemoryCache() {
        memoryCache.removeAllObjects()
    }

    func loadImage(from url: URL, completion: @escaping (UIImage?) -> Void) -> UUID? {
        // 1. 检查内存缓存
        if let image = memoryCache.object(forKey: url.absoluteString as NSString) {
            completion(image)
            return nil
        }

        // 2. 检查磁盘缓存（伪代码）
        if let diskImage = loadFromDisk(url: url) {
            memoryCache.setObject(diskImage, forKey: url.absoluteString as NSString)
            completion(diskImage)
            return nil
        }

        // 3. 创建下载任务
        let uuid = UUID()
        let task = URLSession.shared.dataTask(with: url) { [weak self] data, _, error in
            defer { self?.runningRequests.removeValue(forKey: uuid) }

            guard let data = data, error == nil,
                  let image = UIImage(data: data) else {
                completion(nil)
                return
            }

            // 缓存到内存
            self?.memoryCache.setObject(image, forKey: url.absoluteString as NSString)
            // 存储到磁盘（伪代码）
            self?.saveToDisk(image: data, url: url)

            DispatchQueue.main.async { completion(image) }
        }
        task.resume()

        // 记录进行中的任务
        runningRequests[uuid] = task
        return uuid
    }

    func cancelLoad(_ uuid: UUID) {
        runningRequests[uuid]?.cancel()
        runningRequests.removeValue(forKey: uuid)
    }
}

最佳实践

• 内存优化：使用NSCache而非Dictionary，它会在内存紧张时自动释放
• 磁盘存储：
  • 存储到Caches目录（系统可自动清理）
  • 使用FileManager创建子目录分类存储
  • 对文件名做MD5哈希避免非法字符
• 线程安全：
  • 使用@synchronized或串行队列保护runningRequests
  • 所有缓存操作在后台线程执行

常见错误

• 内存泄漏：未使用[weak self]导致循环引用
• 线程阻塞：在主线程解码大图导致卡顿（应在后台线程解码）
• 缓存穿透：相同URL重复发起下载，需用runningRequests去重
• 磁盘误存：将缓存写入Documents目录导致无法被系统清理

扩展知识

• 渐进式加载：使用URLSessionDataTask的didReceiveData逐步显示图片
• 缓存淘汰策略：LRU（最近最少使用）算法实现磁盘缓存清理
• 第三方库对比：
  • SDWebImage：成熟稳定，支持动图
  • Kingfisher：Swift编写，语法更现代
  • Nuke：高性能，低内存占用