Kde jsou má data? - MujMAC.cz - Apple, Mac OS X, Apple iPod

19. ledna 2010, 00.00 | Používání cache – dočasné paměti – je samozřejmě prastarý programátorský trik. Programujeme tak všichni už léta a léta; Irbis to ale usnadňuje pomocí nových tříd a služeb; na ty se podíváme právě dnes.

V minulém dílu jsme prošli většinu novinek, jež vývojářům Irbis nadělil ve Foundation Kitu; ponechali jsme ale stranou podporu pro data, jež mohou být kdykoli zrušena pro úsporu paměti, a konsistentní podporu URL pro representaci objektů v souborovém systému. Dnes si řekneme více o prvé z nich.

Používání cache – dočasné paměti – je samozřejmě prastarý programátorský trik. Pro urychlení práce našich programů si mnohdy potřebujeme data, vypočtená nějakým složitějším postupem, zapamatovat, aby nebylo zapotřebí je generovat při každém použití znovu a znovu. Naopak ale není dost dobře možné si neustále pamatovat vše: ačkoli paměť jako taková samozřejmě v Mac OS X díky virtualisaci nikdy nemůže "dojít", příliš časté swapování dat mezi pamětí a diskem eliminuje právě to, proč jsme původně data do paměti ukládali – rychlost. Proto se data sice do cache ukládají, ale je možné je z ní kdykoli odstranit, je-li zapotřebí paměť uvolnit – budou-li pak znovu zapotřebí, prostě se znovu spočtou.

Tak samozřejmě programujeme všichni už léta a léta; Irbis to ale usnadňuje pomocí nových tříd a služeb; na ty se podíváme právě dnes.

(Mimochodem je zajímavé, že na iPhone – kde není k dispozici virtualisace paměti, jen adres –, a navíc je rozsah operační paměti poměrně malý, takže cachování je ještě daleko důležitější, než v Mac OS X, tyto třídy a služby k dispozici nejsou. Čert rohatý ví, co k tomuto prapodivnému rozhodnutí programátory Apple vedlo.)

Protokol NSDiscardableContent

Standardizovanou esencí "cacheovosti" je protokol NSDiscardableContent, nově zavedený v Mac OS X 10.6: jeho obsahem jsou právě služby, jež umožňují konsistentně implementovat odkládací paměť pro data, jež mohou být v případě nedostatku paměti víceméně kdykoli odstraněna, a pak – jsou-li znovu zapotřebí – opět spočtena.

Implementujeme-li libovolnou třídu, jejíž instance tuto vlastnost nesou, je výhodné, aby třída odpovídala tomuto protokolu; pak ji totiž lze např. ukládat do kontejnerů NSCache, jež služeb protokolu podle potřeb automaticky využívají. To si ovšem ukážeme později.

Protokol obsahuje pouze čtyři zprávy; prvá dvojice souvisí s vlastním odstraněním dat:

-(void)discardContentIfPossible;

Tuto zprávu objektu pošle kdokoli, kdo usoudí, že je zapotřebí uvolnit paměť. Příjemce prostě odstraní pomocná nacacheovaná data, pokud to je zrovna možné (tj. pokud s nimi zrovna nějaký kód nepracuje). Pokud to možné není, metoda by neměla dělat nic.

-(BOOL)isContentDiscarded;

Touto zprávou lze ověřit, zda byla paměť uvolněna, nebo zda jsou cache objektu (alespoň zčásti) zaplněny.

Druhá dvojice zpráv je určena právě pro zajištění již zmíněného blokování cache, pokud s jejich obsahem právě nějaký kód pracuje.

Koncepce těchto zpráv je navržena pro počítání referencí (funguje tedy na zhruba podobném principu, jako důvěrně známá dvojice zpráv retain a release). Ačkoli čítač referencí není povinnou implementací a je technicky možné užít jiného principu, patrně to v praxi nemá smysl (alespoň prozatím mne žádná jiná rozumná varianta nenapadá); budeme proto funkci nadále vysvětlovat na základě předpokladu, že každá instance objektu (naší třídy, jež odpovídá protokolu NSDiscardableContent) skutečně čítač referencí obsahuje. Pak je snadné popsat i funkci metody discardContentIfPossible – je-li hodnotou čítače nula, odstraní obsah; jinak nedělá nic.

-(BOOL)beginContentAccess;

Odpovídající metoda vrátí hodnotu NO, pokud data objektu nejsou k dispozici a nelze s nimi pracovat. Jinak inkrementuje čítač referencí a vrátí hodnotu YES.

Typická implementace bude vypadat zhruba nějak takto – samozřejmě s variantami, odpovídajícími konkrétním třídám a jejich užití:

-(BOOL)beginContentAccess {
  if ([self isContentDiscarded] && ![self computeContent])
    return NO;
  counter++;
  return YES;
}

tj. pokud data nejsou k dispozici, pokusí se jejich obsah znovu spočíst; není-li to možné, vrátí NO.

Konvence, spojená s protokolem, stanoví, že výchozí hodnota čítače je 1: předpokládá se totiž, že objekt byl typicky vytvořen on-demand, a bude hned použit.

-(void)endContentAccess;

Metoda dekrementuje čítač, je-li jeho hodnota vyšší než nula. Pokud je hodnota čítače nulová, znamená to, že kdokoli může data odstranit pomocí zprávy discardContentIfPossible.

Konvence zároveň požaduje, aby při nulové hodnotě čítače jakýkoli pokus o přístup k datům vyvolal výjimku.

Třída NSPurgeableData

Pro nejjednodušší a dosti častý případ, kdy jsou cacheovaná data prostě jen neformátovanou skupinou bytů, nabízí Cocoa v Mac OS X 10.6 třídu NSPurgeableData, jež je konkrétní implementací výše popsaného protokolu.

Tato třída je dědicem třídy NSMutableData a pro přístup k obsahu tedy nabízí totožné API (jež je ovšem doplněno tím, že jeho metody vyvolají výjimku, pokud je hodnota vnitřního čítače spojeného se službami beginContentAccess a endContentAccess nulová). Navíc třída nabízí služby protokolu NSDiscardableContent; můžeme tedy např. kdykoli vyprázdnit cache pomocí zprávy discardContentIfPossible, pokud je čítač nulový – a samozřejmě, použití musíme "obalit" zprávami begin/endContentAccess. Typické použití této třídy tedy bude vypadat zhruba nějak takto:

@interface MyClass ... {
  NSPurgeableData *cache;
  ...
}
...
@end
@implementation MyClass
-(NSPurgeableData*)createDataWithAccess {
  NSPurgeableData *data=[[NSPurgeableData alloc]                    initWithLength:...];
  ... // výpočet obsahu cache
  return data;
}
-(void)useCachedData {
  if (![cache beginContentAccess]) {
    [cache release];
    cache=[self createDataWithAccess];
  }
  ... // použití dat v cache
  [cache endContentAccess];
}
@end

Toto by samozřejmě samo o sobě ještě celkem nic zajímavého nepřinášelo – zhruba tytéž služby, jež vidíme na příkladu uvedeném výše, spolu s možností cache podle potřeby vyprázdnit, bychom si mohli sami implementovat dostatečně snadno (s použitím běžného setLength:0 na místě discardContentIfPossible).

Co je tedy na třídě NSPurgeableData tak přínosného, že její použití přináší zásadní výhodu?

Jde o to, že data využívají technologii "purgeable memory" (pro niž je mimochodem v Mac OS X 10.6 k dispozici i obecné neobjektové API), která zajistí "automatické discardContentIfPossible" kdykoli, když by se měla data stránkovat do virtuální paměti. To je nesmírně praktické: vzhledem k tomu, že správce virtuální paměti obecně patří k nejlépe optimalisovaným částem operačního systému, lze se spolehnout na to, že vhodný čas k vyprázdnění cache je tehdy a právě tehdy, když by se její obsah měl vystránkovat.

(Samozřejmě s výjimkou případu, kdy vyprázdnění cache naplánuje programátor s využitím znalosti konkrétního algoritmu – ale právě k tomu může využít služby discardContentIfPossible.)

Z toho plynou pro použití třídy NSPurgeableData také určitá omezení: ačkoli v principu může – díky službám knihoven na vyšší úrovni – fungovat nad libovolnými údaji, skutečně efektivní je pouze u větších objemů dat. Kromě toho je samozřejmě vhodná jen tam, kde případné znovuvytvoření obsahu cache není o mnoho náročnější než přenos stránek.

Kromě toho další bohaté možnosti pro práci s instancemi třídy NSPurgeableData – stejně jako s instancemi případných dalších tříd, podporujících protokol NSDiscardableContent – nabízí novým specialisovaný kontejner NSCache. Ten si ale podrobně ukážeme až příště.