理解WebKit和Chromium:Chromium资源磁盘缓存

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## 概述

想象一下，如果没有磁盘缓存的世界。当用户访问网页的时候，每次浏览器都需要从网站下载网页，图片，JS等资源，这其实费力又不讨好。解决这一问题的方法就是将之前浏览器下载的资源保存下来，存到磁盘中，以备今后使用。当然，资源有时效性，也会变的不再有效，所以有相应的退出机制来解决这一问题。在现代浏览器中，绝大多数浏览器都有磁盘缓存机制，因为它确实能够提高网页的加载速度，能够省去了网络的时间。

## 特性

为了适应的网络资源的本地缓存需求，Chromium的磁盘本地缓存有几个特性或者要求：

第一，磁盘空间不是无限大的，虽然需要缓存的资源可能很多，所以必须要相应的机制来移除合适的缓存资源，以便加入新的资源。

第二，能够处理浏览器崩溃时候不破坏磁盘文件，至少能够保护原先在磁盘中的数据。

第三，能够高效和快速的访问磁盘中的现有数据结构，支持同步和异步两种访问方式。

第四，能够避免同时存储两个相同的资源。

第五，能够很方便的从磁盘中删除一个项，同时可以在操作一个项的时候不受其它请求的影响。

还有些其它的特性，这里不再一一介绍。这些既是磁盘本地缓存的需要，同时也是Chromium的设计目标，让我们一起看看下面介绍的结构是如何做到这些的。

## 结构

在理解内部结构之前，我们来看一看对外的接口设计。笔者认为这个接口设计很清晰简单（跟Chromium中的一些其他接口比较），有两个类，Backend和Entry。Backend表示整个磁盘缓存，所有针对磁盘缓存操作的主入口，表示的是一个缓存表。Entry类指的是表中的表项。缓存通常是一个表，对于整个表的操作作用在Backend上，还包括创建表中的一个个项，每个项是关键字来唯一确定，这个关键字就是资源的URL。而对项目内的操作，包括读写等都是由Entry类来处理。读者可以通过在地址栏输入“chrome://view-http-cache/”来查看这些项。下图是一个表项的内部存储内容。

下面介绍表和表项是如何被组织和存储在磁盘上的。在磁盘上，Chromium至少需要一个索引文件和四个数据文件。索引文件用来检索存放在数据文件中的众多索引项，用来索引表项。数据文件又称为块文件，里面包含很多特定大小的块（例如256字节或者1k字节），用于快速检索，这些数据块的内容是表项，包括HTTP文件头，请求数据和资源数据等等，数据文件名形如“data_1”，“data_2”等。

当资源文件大小超过一定值的时候，Chromium建立单独的文件来保存它们，而不是将它们方式上面的4个数据文件中。这些单独文件没有元数据信息，只是资源文件内容，而文件名形如“f_xxxxx”，其中xxxxx是5个数字或者ABCDEF（16进制），用于表示编号。

索引文件的结构定义包括一个索引的头部和索引地址表。头部用来表示该索引文件的信息，例如索引文件版本号，索引项数量，文件大小等等信息。而索引地址表就是保存各个表项对应的索引地址。该索引文件是直接将文件映射到内存地址，这样可以快速的找到表项的索引地址。索引地址的含义以下面两个例子作如下解释：

0x8000001C: 前四位的8表示这个地址指向的表项是一个单独的文件（说明内容大于特定值），后面20位表示文件的名字中的编号，所以文件名为”f_0001C”。

0xA0020001: 前四位的A表示这个地址指向的表项是存入数据文件”data_2”的第一个块。

这些表示可能不是固定地，以后也可能发生改变，但是基本思想还是这样。数据文件的结构总体上也是类似，它也是一个文件头加上后面的块文件。前面说过，每个块大小是固定的，例如512字节，所以当需要超过512的时候，可能会为其分配多个块来解决这一问题。但是，最多不能够超过四个块（前面说过大于这个通常是单独的文件）。另一方面，如果一个表项需要分配四个块，则通常是跟块在文件中的索引位置是对齐的，也就是起始块的位置是4的倍数。

表项的结构也分为两个部分，第一部分用于标记自己，包括各种元数据信息和自身的内容，通常它是较少变动得，Chromium中用disk_cache::EntryStore表示。另一部分是经常发生变动，Chromium中用disk_cache::RankingsNode表示，它的大小固定，主要是为了表项的回收算法服务的，里面保存了回收算法所需要的信息。EntryStore结构可以查阅代码。它有一些标记该表项的数据，例如“hash”，“key”等。”key”其实是资源的URL，如果URL过于长，那么”long_key”是就派上了用场，可以用一个或者多个块来存储。”data_addr”可以存储多达4个地址，它们指向不同的位置，这些地址可以表示HTTP头，资源内容等。

总结上面的描述，可以描绘出磁盘缓存的存储结构如下图所示。

Chromium使用LRU（Least RecentUsed）最近最少使用算法来回收表项。因为磁盘存储的空间是优先的，不能无限的增长下去，所以对于很少使用到的表项，回收这一部分磁盘空间。

## 参考资料

1.http://www.chromium.org/developers/design-documents/network-stack/disk-cache

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