1、為什麼需要快取

應用需要離線工作的主要原因就是改善應用所表現出的效能。將應用內容快取起來就可以支援離線。我們可以用兩種不同的快取來使應用離線工作。
第一種是按需快取，這種情況下應用快取起請求應答，就和Web瀏覽器的工作原理一樣；第二種是預快取，這種情況是快取全部內容（或者最近n條記錄）以便離線訪問。

按需快取

像第14章中開發的Web服務應用利用按需快取技術來改善可感知的效能而不是提供離線訪問。離線訪問只是無心插柳的結果。Twitter和Foursquare就是很好的例子。這類應用得到的資料通常很快就會過時。對於一條几天前的推文或者朋友上週在哪裡你能有多大興趣？一般來說，一條推文或者一條簽到的資訊只在幾個小時內有意義，而24小時之後就變得無關緊要。不過大部分Twitter客戶端還是會快取推文，而Foursquare的官方客戶端在無網路連線的情況下開啟，會顯示上次的狀態。

大家可以用自己喜歡的Twitter客戶端來試一下，Twitter for iPhone、Tweetbot或其他應用：開啟某個朋友的個人資料並瀏覽他的時間線。應用會獲取時間線並填充頁面。載入時間線時會看到一個表示正在載入的圓圈在旋轉。現在進入另一個頁面，然後再回來開啟時間線。你會發現這次是瞬間載入的。應用還是在後臺重新整理內容（在上次開啟的基礎上），但是它會顯示上次快取的內容而不是無趣地轉圈，這樣看起來就快多了。如果沒有快取，使用者每次開啟一個頁面都會看到圓圈在旋轉。無論網路連線快還是慢，減小網路載入慢的影響，讓它看起來很快，是iOS開發者的責任。這就能大大改善使用者滿意度，從而提高了應用在App Store中的評分。

預快取

預快取更加重視被快取資料，並且能快速編輯被快取的記錄而無需連線到伺服器。代表應用包括Google Reader客戶端，稍後閱讀類的應用Instapaper等。

2、快取策略

按需快取和預快取的區別

上一節中討論到按需快取和預快取，它們在設計和實現上有很大的不同。

按需快取是指把從伺服器獲取的內容以某種格式存放在本地檔案系統，之後對於每次請求，檢查快取中是否存在這塊資料，只有當資料不存在（或者過期）的情況下才從伺服器獲取。這樣的話，快取層就和處理器的快取記憶體差不多。獲取資料的速度比資料本身重要。

預快取是把內容放在本地以備將來訪問。對預快取來說，資料丟失或者快取不命中是不可接受的，比方使用者下載了文章準備在地鐵上看，但卻發現裝置上不存在這些文章。

像Twitter、Facebook和Foursquare這樣的應用屬於按需快取，而Instapaper和Google Reader等客戶端則屬於預快取。

實現預快取可能需要一個後臺執行緒訪問資料並以有意義的格式儲存，以便本地快取無需重新連線伺服器即可被編輯。編輯可能是“標記記錄為已讀”或“加入收藏”，或其他類似的操作。這裡有意義的格式是指可以用這種方式儲存內容，不用和伺服器通訊就可以在本地作出上面提到的修改，並且一旦再次連上網就可以把變更傳送回伺服器。這種能力和Foursquare等應用不同，雖然使用後者你能在無網路連線的情況下看到自己是哪些地點的地主（Mayor），當然前提是進行了快取，但無法成為某個地點的地主。Core Data（或者任何結構化儲存）是實現這種快取的一種方式。

按需快取工作原理類似於瀏覽器快取。它允許我們檢視以前檢視或者訪問過的內容。按需快取可以通過在開啟一個檢視控制器時按需地快取資料模型（建立一個數據模型快取）來實現，而不是在一個後臺執行緒上做這件事。也可以在一個URL請求返回成功（200 OK）應答時實現按需快取（建立一個URL快取）。兩種方法各有利弊，稍後我會在24.3節和24.6節中解釋各個方法的優缺點。

如何選擇

選擇使用按需快取還是預快取的一個簡便方法是判斷是否需要在下載資料之後處理資料。後期處理資料可能是以使用者產生編輯的形式，也可能是更新下載的資料，比如重寫HTML頁面裡的圖片連結以指向本地快取圖片。如果一個應用需要做上面提到的任何後期處理，就必須實現預快取。

儲存快取

儲存位置

第三方應用只能把資訊儲存在應用程式的沙盒中。因為快取資料不是使用者產生的，所以它應該被儲存在NSCachesDirectory，而不是NSDocumentsDirectory。為快取資料建立獨立目錄是一項不錯的實踐。在下面的例子中，我們將在Library/caches資料夾下建立名為MyAppCache的目錄。可以這樣建立：

NSArray *paths = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSCachesDirectory,

NSUserDomainMask, YES);

NSString *cachesDirectory = [paths objectAtIndex:0];

cachesDirectory = [cachesDirectory stringByAppendingPathComponent:@"MyAppCache"];

把快取儲存在快取資料夾下的原因是iCloud（和iTunes）的備份不包括此目錄。如果在Documents目錄下建立了大尺寸的快取檔案，它們會在備份的時候被上傳到iCloud並且很快就用完有限的空間（寫作本書時大約為5 GB）。你不會這麼幹的——誰不想成為使用者iPhone上的良民？NSCachesDirectory正是解決這個問題的。

預快取是用高階資料庫（比如原始的SQLite）或者物件序列化框架（比如Core Data）實現的。我們需要根據需求認真選擇不同的技術。本節第5點“應該用哪種快取技術”給出了一些建議：什麼時候該用URL快取或者資料模型快取，而什麼時候又該用Core Data。接下來先看一下資料模型快取的實現細節。

a. 實現資料模型快取

可以用NSKeyedArchiver類來實現資料模型快取。為了把模型物件用NSKeyedArchiver歸檔，模型類需要遵循NSCoding協議。

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder;

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder;

當模型遵循NSCoding協議時，歸檔物件就很簡單，只要呼叫下列方法中的一個：

[NSKeyedArchiver archiveRootObject:objectForArchiving

    toFile:archiveFilePath];

[NSKeyedArchiver
archivedDataWithRootObject:objectForArchiving];

第一個方法在archiveFilePath指定的路徑下建立一個歸檔檔案。第二個方法則返回一個NSData物件。NSData通常更快，因為沒有檔案訪問開銷，但物件儲存在應用的記憶體中，如果不定期檢查的話會很快用完記憶體。在iPhone上定期快取到快閃記憶體的功能也是不明智的，因為跟硬碟不同，快閃記憶體讀寫壽命是有限的。開發者得儘可能平衡好兩者的關係。24.3節會詳細介紹歸檔實現快取。

NSKeyedUnarchiver類用於從檔案（或者這裡寫連結內容NSData指標）反歸檔模型。根據反歸檔的位置，選擇使用下面兩個類方法。

[NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithData:data];

[NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithFile:archiveFilePath];

這四個方法在轉化序列化資料時能派上用場。

使用任何NSKeyedArchiver/NSKeyedUnarchiver的前提是模型實現了NSCoding協議。不過要做到這一點很容易，可以用Accessorizer類工具自動實現NSCoding協議。（24.8節列出了Accessorizer在Mac App Store中的連結。）

下一節會解釋預快取策略。我們剛才已經瞭解到預快取需要用到更結構化的資料格式，接下來看看Core Data和SQLite。

b. Core Data

正如Marcus Zarra所說，Core Data更像是一個物件序列化框架，而不僅僅是一個數據庫API：

大家誤認為Core Data是一個Cocoa的資料庫API。其實它是個可以持久化到磁碟的物件框架（Zarra，2009年）1。

要在Core Data中儲存資料，首先建立一個Core Data模型檔案，並建立實體（Entity）和關係（Relationship）；然後寫好儲存和獲取資料的方法。應用可以藉助Core Data獲取真正的離線訪問功能，就像蘋果內建的Mail和Calendar應用一樣。實現預快取時必須定期刪除不再需要的（過時的）資料，否則快取會不斷增長並影響應用的效能。同步本地變更是通過追蹤變更集併發送回伺服器實現的。變更集的追蹤有很多演算法，我推薦的是Git版本控制系統所用的（此處沒有涉及如何與遠端伺服器同步快取，這不在本書討論範圍之內）。

儘管從技術上講可以用Core Data來實現按需快取，但我不建議這麼做。Core Data的優勢是不用反歸檔完整的資料就可以獨立訪問模型的屬性。然而，在應用中實現Core Data帶來的複雜度抵消了優勢。此外，對於按需快取實現來說，我們可能並不需要獨立訪問模型的屬性。

c. 原始的SQLite

可以通過連結libsqlite3的庫來把SQLite嵌入應用，但是這麼做有很大的缺陷。所有的sqlite3庫和物件關係對映（Object Relational Mapping，ORM）機制幾乎總是會比Core Data慢。此外，儘管sqlite3本身是執行緒安全的，但是iOS上的二進位制包則不是。所以除非用定製編譯的sqlite3庫（用執行緒安全的編譯引數編譯），否則開發者就有責任確保從sqlite3讀取資料或者往sqlite3寫入資料是執行緒安全的。Core Data有這麼多特性而且內建執行緒安全，所以我建議在iOS中儘量避免使用SQLite。

唯一應該在iOS應用中用原始的SQLite而不用Core Data的例外情況是，資源包中有應用程式相關的資料需要在所有應用支援的第三方平臺上共享，比如說執行在iPhone、Android、BlackBerry和Windows Phone上的某個應用的位置資料庫。不過這也不是快取了。

3、應用哪種快取技術

在眾多可以本地儲存資料的技術中，有三種脫穎而出：URL快取、資料模型快取（利用NSKeyedArchiver）和Core Data。

假設你正在開發一個應用，需要快取資料以改善應用表現出的效能，你應該實現按需快取（使用資料模型快取或URL快取）。另一方面，如果需要資料能夠離線訪問，而且具有合理的儲存方式以便離線編輯，那麼就用高階序列化技術（如Core Data）。

a. 資料模型快取與URL快取

按需快取可以用資料模型快取或URL快取來實現。兩種方式各有優缺點，要使用哪一種取決於伺服器的實現。

二者區別

URL快取的實現原理和瀏覽器快取或代理伺服器快取類似。當伺服器設計得體，遵循HTTP 1.1的快取規範時，這種快取效果最好。如果伺服器是SOAP伺服器（或者實現類似於RPC伺服器或RESTful伺服器），就需要用資料模型快取。如果伺服器遵循HTTP 1.1快取規範，就用URL快取。資料模型快取允許客戶端（iOS應用）掌控快取失效的情形，當開發者實現URL快取時，伺服器通過HTTP 1.1的快取控制頭控制快取失效。儘管有些程式設計師覺得這種方式違反直覺，而且實現起來也很複雜（尤其是在伺服器端），但這可能是實現快取的好辦法。事實上，MKNetworkKit提供了對HTTP 1.1快取標準的原生支援。

栗子：實現資料模型快取

本節我們來給第14章中的iHotelApp新增用資料模型快取實現的按需快取。按需快取是在檢視從檢視層次結構中消失時做的（從技術上講，是在viewWillDisappear:方法中）。支援快取的檢視控制器的基本結構如圖24-1所示。AppCache Architecture的完整程式碼可從本章的下載原始碼中找到。後面講解的內容假設你已經下載了程式碼並且可以隨時使用。

在viewWillAppear方法中，檢視快取中是否有顯示這個檢視所需的資料。如果有就獲取資料，再用快取資料更新使用者介面。然後檢查快取中的資料是否已經過期。你的業務規則應該能夠確定什麼是新資料、什麼是舊資料。如果內容是舊的，把資料顯示在UI上，同時在後臺從伺服器獲取資料並再次更新UI。如果快取中沒有資料，顯示一個轉動的圓圈表示正在載入，同時從伺服器獲取資料。得到資料後，更新UI。

前面的流程圖假定顯示在UI上的資料是可以歸檔的模型。在iHotelApp的MenuItem模型中實現NSCoding協議。NSKeyedArchiver需要模型實現這個協議，如下面的程式碼片段所示。

MenuItem類的encodeWithCoder方法（MenuItem.m）

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)encoder

    {

        [encoder encodeObject:self.itemId forKey:@"ItemId"];

        [encoder encodeObject:self.image forKey:@"Image"];

        [encoder encodeObject:self.name forKey:@"Name"];

        [encoder encodeObject:self.spicyLevel forKey:@"SpicyLevel"];

        [encoder encodeObject:self.rating forKey:@"Rating"];

        [encoder encodeObject:self.itemDescription forKey:@"ItemDescription"];

        [encoder encodeObject:self.waitingTime forKey:@"WaitingTime"];

        [encoder encodeObject:self.reviewCount forKey:@"ReviewCount"];

    }

MenuItem類的initWithCoder方法（MenuItem.m）

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)decoder

    {

if ((self = [super init])) {

            self.itemId = [decoder decodeObjectForKey:@"ItemId"];

            self.image = [decoder decodeObjectForKey:@"Image"];

            self.name = [decoder decodeObjectForKey:@"Name"];

            self.spicyLevel = [decoder decodeObjectForKey:@"SpicyLevel"];

            self.rating = [decoder decodeObjectForKey:@"Rating"];

            self.itemDescription = [decoder

              decodeObjectForKey:@"ItemDescription"];

            self.waitingTime = [decoder decodeObjectForKey:@"WaitingTime"];

            self.reviewCount = [decoder decodeObjectForKey:@"ReviewCount"];

        }

return self;

    }

就像之前提到過的，可以用Accessorizer來生成NSCoding協議的實現。

根據圖24-1中的快取流程圖，我們需要在viewWillAppear:中實現實際的快取邏輯。把下面的程式碼加入viewWillAppear:就可以實現。

檢視控制器的viewWillAppear:方法中從快取恢復資料模型物件的程式碼片段

NSArray *paths = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSCachesDirectory,

        NSUserDomainMask, YES);

NSString *cachesDirectory = [paths objectAtIndex:0];

NSString *archivePath = [cachesDirectory stringByAppendingPathComponent:@"AppCache/MenuItems.archive"];

NSMutableArray *cachedItems = [NSKeyedUnarchiver

        unarchiveObjectWithFile:archivePath];

if(cachedItems == nil)

      self.menuItems = [AppDelegate.engine localMenuItems];//從伺服器下載資料

else

      self.menuItems = cachedItems;

NSTimeInterval stalenessLevel = [[[[NSFileManager defaultManager] attributesOfItemAtPath:archivePath error:nil] fileModificationDate] timeIntervalSinceNow];

if(stalenessLevel > THRESHOLD)
     self.menuItems = [AppDelegate.engine localMenuItems];//如果資料過期，從伺服器下載資料
     [self updateUI];

快取機制的邏輯流如下所示。

• 檢視控制器在歸檔檔案MenuItems.archive中檢查之前快取的項並反歸檔。
• 如果MenuItems.archive不存在，檢視控制器呼叫方法從伺服器獲取資料。
• 如果MenuItems.archive存在，檢視控制器檢查歸檔檔案的修改時間以確認快取資料有多舊。如果資料過期了（由業務需求決定），再從伺服器獲取一次資料。否則顯示快取的資料。

接下來，把下面的程式碼加入viewDidDisappear方法可以把模型（以NSKeyedArchiver的形式）儲存在Library/Caches目錄中。

檢視控制器的viewWillDisappear:方法中快取資料模型的程式碼片段

NSArray *paths = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSCachesDirectory,

      NSUserDomainMask, YES);

NSString *cachesDirectory = [paths objectAtIndex:0];

NSString *archivePath = [cachesDirectory stringByAppendingPathComponent:@"    AppCache/MenuItems.archive"];

[NSKeyedArchiver archiveRootObject:self.menuItems toFile:archivePath];

檢視消失時要把menuItems陣列的內容儲存在歸檔檔案中。注意，如果不是在viewWillAppear:方法中從伺服器獲取資料的話，這種情況不能快取。

所以，只需在檢視控制器中加入不到10行的程式碼（並將Accessorizer生成的幾行程式碼加入模型），就可以為應用新增快取支援了。

重構

當開發者有多個檢視控制器時，前面的程式碼可能會有冗餘。我們可以通過抽象出公共程式碼並移入名為AppCache的新類來避免冗餘。AppCache是處理快取的應用的核心。把公共程式碼抽象出來放入AppCache可以避免viewWillAppear:和viewWillDisappear:中出現冗餘程式碼。

重構這部分程式碼，使得檢視控制器的viewWillAppear/viewWillDisappear程式碼塊看起來如下所示。加粗部分顯示重構時所做的修改，我會在程式碼後面解釋。

檢視控制器的viewWillAppear:方法中用AppCache類快取資料模型的重構程式碼片段（MenuItemsViewController.m）

-(void) viewWillAppear:(BOOL)animated {

      self.menuItems = [AppCache getCachedMenuItems];

      [self.tableView reloadData];

if([AppCache isMenuItemsStale] || !self.menuItems) {

        [AppDelegate.engine fetchMenuItemsOnSucceeded:^(NSMutableArray

        *listOfModelBaseObjects) {

        self.menuItems = listOfModelBaseObjects;

        [self.tableView reloadData];

      } onError:^(NSError *engineError) {

        [UIAlertView showWithError:engineError];

      }];

    }

      [super viewWillAppear:animated];

    }

    -(void) viewWillDisappear:(BOOL)animated {

      [AppCache cacheMenuItems:self.menuItems];

      [super viewWillDisappear:animated];

    }

AppCache類把判斷資料是否過期的邏輯從檢視控制器中抽象出來了，還把快取儲存的位置也抽象出來了。稍後在本章中我們還會修改AppCache，再引入一層快取，內容會儲存在記憶體中。

因為AppCache抽象出了快取的儲存位置，我們就不需要為複製貼上程式碼來獲得應用的快取目錄而操心了。如果應用類似於iHotelApp，開發者可通過為每個使用者建立子目錄即可輕鬆增強快取資料的安全性。然後我們就可以修改AppCache中的輔助方法，現在它返回的是快取目錄，我們可以讓它返回當前登入使用者的子目錄。這樣，一個使用者快取的資料就不會被隨後登入的使用者看到了。

完整的程式碼可以從本書網站上本章的原始碼下載中獲取。

快取版本控制：

我們在上一節中寫的AppCache類從檢視控制器中抽象出了按需快取。當檢視出現和消失時，快取就在幕後工作。然而，當你更新應用時，模型類可能會發生變化，這意味著之前歸檔的任何資料將不能恢復到新的模型上。正如之前所講，對按需快取來說，資料並沒有那麼重要，開發者可以刪除資料並更新應用。我會展示可以用來在版本升級時刪除快取目錄的程式碼片段。

第二個是驗證模型，伺服器通常會發送一個校驗和（Etag）。後續所有從快取獲得資源的請求都應該用這個校驗和向伺服器重新驗證資源是否有變化。如果校驗和匹配，伺服器就返回一個HTTP 304 Not Modified的狀態碼。

b. IOS記憶體快取：

目前為止，所有iOS裝置都帶有快閃記憶體，而快閃記憶體有點小問題：它的讀寫壽命是有限的。儘管這個壽命跟裝置的使用壽命比起來很長，但是仍然需要避免過於頻繁地讀寫快閃記憶體。在上一個例子中，檢視隱藏時是直接快取到磁碟的，而檢視顯示時又是直接從磁碟讀取的。這種行為會使使用者裝置的快取負擔很重。為避免這個問題，我們可以再引入一層快取，利用裝置的RAM而不是快閃記憶體（用NSMutableDictionary）。在24.2.1節的“實現資料模型快取”中，我們介紹了建立歸檔的兩種方法：一個是儲存到檔案，另一個是儲存為NSData物件。這次會用到第二個方法，我們會得到一個NSData指標，將該指標儲存到NSMutableDictionary中，而不是檔案系統裡的平面檔案。引入記憶體快取的另一個好處是，在歸檔和反歸檔內容時效能會略有提升。聽起來很複雜，實際上並不複雜。本節將介紹如何給AppCache類新增一層透明的、位於記憶體中的快取。（“透明”是指呼叫程式碼，即檢視控制器，甚至不知道這層快取的存在，而且也不需要改動任何程式碼。）我們還會設計一個LRU（Least Recently Used，最近最少使用）演算法來把快取的資料儲存到磁碟。

以下簡單列出了要建立記憶體快取需要的步驟。這些步驟將會在下面幾節中詳細解釋。

1. 新增變數來存放記憶體快取資料。
2. 限制記憶體快取大小，並且把最近最少使用的項寫入檔案，然後從記憶體快取中刪除。RAM是有限的，達到使用極限就會觸發記憶體警告。收到警告時不釋放記憶體會使應用崩潰。我們當然不希望發生這種事，所以要為記憶體快取設定一個最大閾值。當快取滿了以後再新增任何東西時，最近最少使用的物件應該被儲存到檔案（快閃記憶體中）。
3. 處理記憶體警告，並把記憶體快取以檔案形式寫入快閃記憶體。
4. 當應用關閉、退出，或進入後臺時，把記憶體快取全部以檔案形式寫入快閃記憶體。