Android IO 框架 Okio 的实现原理，到底哪里 OK？

前言

大家好，我是小彭。

今天，我们来讨论一个 Square 开源的 I/O 框架 Okio，我们最开始接触到 Okio 框架还是源于 Square 家的 OkHttp 网络框架。那么，OkHttp 为什么要使用 Okio，它相比于 Java 原生 IO 有什么区别和优势？今天我们就围绕这些问题展开。

本文源码基于 Okio v3.2.0。

思维导图

1. 说一下 Okio 的优势？

相比于 Java 原生 IO 框架，我认为 Okio 的优势主要体现在 3 个方面：

• 1、精简且全面的 API： 原生 IO 使用装饰模式，例如使用 BufferedInputStream 装饰 FileInputStream 文件输入流，可以增强流的缓冲功能。但是原生 IO 的装饰器过于庞大，需要区分字节、字符流、字节数组、字符数组、缓冲等多种装饰器，而这些恰恰又是最常用的基础装饰器。相较之下，Okio 直接在 BufferedSource 和 BufferedSink 中聚合了原生 IO 中所有基础的装饰器，使得框架更加精简；

• 2、基于共享的缓冲区设计： 由于 IO 系统调用存在上下文切换的性能损耗，为了减少系统调用次数，应用层往往会采用缓冲区策略。但是缓冲区又会存在副作用，当数据从一个缓冲区转移到另一个缓冲区时需要拷贝数据，这种内存中的拷贝显得没有必要。而 Okio 采用了基于共享的缓冲区设计，在缓冲区间转移数据只是共享 Segment 的引用，而减少了内存拷贝。同时 Segment 也采用了对象池设计，减少了内存分配和回收的开销；

• 3、超时机制： Okio 弥补了部分 IO 操作不支持超时检测的缺陷，而且 Okio 不仅支持单次 IO 操作的超时检测，还支持包含多次 IO 操作的复合任务超时检测。

下面，我们将从这三个优势展开分析：

2. 精简的 Okio 框架

先用一个表格总结 Okio 框架中主要的类型：

2.1 Source 输入流 与 Sink 输出流

在 Java 原生 IO 中有四个基础接口，分别是：

• 字节流： InputStream 输入流和 OutputStream 输出流；
• 字符流： Reader 输入流和 Writer 输出流。

而在 Okio 更加精简，只有两个基础接口，分别是：

• 流： Source 输入流和 Sink 输出流。

Source.kt

interface Source : Closeable {

    // 从输入流读取数据到 Buffer 中（Buffer 等价于 byte[] 字节数组）
    // 返回值：-1：输入内容结束
    @Throws(IOException::class)
    fun read(sink: Buffer, byteCount: Long): Long

    // 超时控制（详细分析见后续文章）
    fun timeout(): Timeout

    // 关闭流
    @Throws(IOException::class)
    override fun close()
}

Sink.java

actual interface Sink : Closeable, Flushable {

    // 将 Buffer 的数据写入到输出流中（Buffer 等价于 byte[] 字节数组）
    @Throws(IOException::class)
    actual fun write(source: Buffer, byteCount: Long)

    // 清空输出缓冲区
    @Throws(IOException::class)
    actual override fun flush()

    // 超时控制（详细分析见后续文章）
    actual fun timeout(): Timeout

    // 关闭流
    @Throws(IOException::class)
    actual override fun close()
}

2.2 InputStream / OutputStream 与 Source / Sink 互转

在功能上，InputStream - Source 和 OutputStream - Sink 分别是等价的，而且是相互兼容的。结合 Kotlin 扩展函数，两种接口之间的转换会非常方便：

• source()： InputStream 转 Source，实现类是 InputStreamSource；
• sink()： OutputStream 转 Sink，实现类是 OutputStreamSink；

比较不理解的是： Okio 没有提供 InputStreamSource 和 OutputStreamSink 转回 InputStream 和 OutputStream 的方法，而是需要先转换为 BufferSource 与 BufferSink，再转回 InputStream 和 OutputStream。

• buffer()： Source 转 BufferedSource，Sink 转 BufferedSink，实现类分别是 RealBufferedSource 和 RealBufferedSink。

示例代码

// 原生 IO -> Okio
val source = FileInputStream(File("")).source()
val bufferSource = FileInputStream(File("")).source().buffer()

val sink = FileOutputStream(File("")).sink()
val bufferSink = FileOutputStream(File("")).sink().buffer()

// Okio -> 原生 IO
val inputStream = bufferSource.inputStream()
val outputStream = bufferSink.outputStream()

JvmOkio.kt

// InputStream -> Source
fun InputStream.source(): Source = InputStreamSource(this, Timeout())

// OutputStream -> Sink
fun OutputStream.sink(): Sink = OutputStreamSink(this, Timeout())

private class InputStreamSource(
    private val input: InputStream,
    private val timeout: Timeout
) : Source {

    override fun read(sink: Buffer, byteCount: Long): Long {
        if (byteCount == 0L) return 0
        require(byteCount >= 0) { "byteCount < 0: $byteCount" }
        try {
            // 同步超时监控（详细分析见后续文章）
            timeout.throwIfReached()
            // 读入 Buffer
            val tail = sink.writableSegment(1)
            val maxToCopy = minOf(byteCount, Segment.SIZE - tail.limit).toInt()
            val bytesRead = input.read(tail.data, tail.limit, maxToCopy)
            if (bytesRead == -1) {
                if (tail.pos == tail.limit) {
                    // We allocated a tail segment, but didn't end up needing it. Recycle!
                    sink.head = tail.pop()
                    SegmentPool.recycle(tail)
                }
                return -1
            }
            tail.limit += bytesRead
            sink.size += bytesRead
            return bytesRead.toLong()
        } catch (e: AssertionError) {
            if (e.isAndroidGetsocknameError) throw IOException(e)
            throw e
        }
  }

  override fun close() = input.close()

  override fun timeout() = timeout

  override fun toString() = "source($input)"
}

private class OutputStreamSink(
    private val out: OutputStream,
    private val timeout: Timeout
) : Sink {

    override fun write(source: Buffer, byteCount: Long) {
        checkOffsetAndCount(source.size, 0, byteCount)
        var remaining = byteCount
        // 写出 Buffer
        while (remaining > 0) {
            // 同步超时监控（详细分析见后续文章）
            timeout.throwIfReached()
            // 取有效数据量和剩余输出量的较小值
            val head = source.head!!
            val toCopy = minOf(remaining, head.limit - head.pos).toInt()
            out.write(head.data, head.pos, toCopy)

            head.pos += toCopy
            remaining -= toCopy
            source.size -= toCopy

            // 指向下一个 Segment
            if (head.pos == head.limit) {
                source.head = head.pop()
                SegmentPool.recycle(head)
            }
        }
    }

    override fun flush() = out.flush()

    override fun close() = out.close()

    override fun timeout() = timeout

    override fun toString() = "sink($out)"
}

Okio.kt

// Source -> BufferedSource
fun Source.buffer(): BufferedSource = RealBufferedSource(this)

// Sink -> BufferedSink
fun Sink.buffer(): BufferedSink = RealBufferedSink(this)

2.3 BufferSource 与 BufferSink

在 Java 原生 IO 中，为了减少系统调用次数，我们一般不会直接调用 InputStream 和 OutputStream，而是会使用 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 包装类增加缓冲功能。

例如，我们希望采用带缓冲的方式读取字符格式的文件，则需要先将文件输入流包装为字符流，再包装为缓冲流：

Java 原生 IO 示例

// 第一层包装
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
// 第二层包装
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");
// 第三层包装
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
    ...
}
// 省略 close

同理，我们在 Okio 中一般也不会直接调用 Source 和 Sink，而是会使用 BufferedSource 和 BufferedSink 包装类增加缓冲功能：

Okio 示例

val bufferedSource = file.source()/*第一层包装*/.buffer()/*第二层包装*/
while (!bufferedSource.exhausted()) {
    val line = bufferedSource.readUtf8Line();
    ...
}
// 省略 close

网上有资料说 Okio 没有使用装饰器模式，所以类结构更简单。 这么说其实不太准确，装饰器模式本身并不是缺点，而且从 BufferedSource 和 BufferSink 可以看出 Okio 也使用了装饰器模式。 严格来说是原生 IO 的装饰器过于庞大，而 Okio 的装饰器更加精简。

比如原生 IO 常用的流就有这么多：

• 原始流： FileInputStream / FileOutputStream 与 SocketInputStream / SocketOutputStream；

• 基础接口（区分字节流和字符流）： InputStream / OutputStream 与 Reader / Writer；

• 缓存流： BufferedInputStream / BufferedOutputStream 与 BufferedReader / BufferedWriter；

• 基本类型： DataInputStream / DataOutputStream；

• 字节数组和字符数组： ByteArrayInputStream / ByteArrayOutputStream 与 CharArrayReader / CharArrayWriter；

• 此处省略一万个字。

原生 IO 框架

而这么多种流在 Okio 里还剩下多少呢？

• 原始流： FileInputStream / FileOutputStream 与 SocketInputStream / SocketOutputStream；
• 基础接口： Source / Sink；
• 缓存流： BufferedSource / BufferedSink。

Okio 框架

就问你服不服？

而且你看哈，这些都是平时业务开发中最常见的基本类型，原生 IO 把它们都拆分开了，让问题复杂化了。反观 Okio 直接在 BufferedSource 和 BufferedSink 中聚合了原生 IO 中基本的功能，而不再需要区分字节、字符、字节数组、字符数组、基础类型等等装饰器，确实让框架更加精简。

BufferedSource.kt

actual interface BufferedSource : Source, ReadableByteChannel {

    actual val buffer: Buffer

    // 读取 Int
    @Throws(IOException::class)
    actual fun readInt(): Int

    // 读取 String
    @Throws(IOException::class)
    fun readString(charset: Charset): String

    ...

    fun inputStream(): InputStream
}

BufferedSink.kt

actual interface BufferedSink : Sink, WritableByteChannel {

    actual val buffer: Buffer

    // 写入 Int
    @Throws(IOException::class)
    actual fun writeInt(i: Int): BufferedSink

    // 写入 String
    @Throws(IOException::class)
    fun writeString(string: String, charset: Charset): BufferedSink

    ...

    fun outputStream(): OutputStream
}

2.4 RealBufferedSink 与 RealBufferedSource

BufferedSource 和 BufferedSink 还是接口，它们的真正的实现类是 RealBufferedSource 和 RealBufferedSink。可以看到，在实现类中会创建一个 Buffer 缓冲区，在输入和输出的时候，都会借助 “Buffer 缓冲区” 减少系统调用次数。

RealBufferedSource.kt

internal actual class RealBufferedSource actual constructor(
    // 装饰器模式
    @JvmField actual val source: Source
) : BufferedSource {

    // 创建输入缓冲区
    @JvmField val bufferField = Buffer()

    // 带缓冲地读取（全部数据）
    override fun readString(charset: Charset): String {
        buffer.writeAll(source)
        return buffer.readString(charset)
    }

    // 带缓冲地读取（byteCount）
    override fun readString(byteCount: Long, charset: Charset): String {
        require(byteCount)
        return buffer.readString(byteCount, charset)
    }
}

RealBufferedSink.kt

internal actual class RealBufferedSink actual constructor(
    // 装饰器模式
    @JvmField actual val sink: Sink
) : BufferedSink {

    // 创建输出缓冲区
    @JvmField val bufferField = Buffer()

    // 带缓冲地写入（全部数据）
    override fun writeString(string: String, charset: Charset): BufferedSink {
        buffer.writeString(string, charset)
        return emitCompleteSegments()
    }

    // 带缓冲地写入（beginIndex - endIndex)
    override fun writeString(
        string: String,
        beginIndex: Int,
        endIndex: Int,
        charset: Charset
    ): BufferedSink {
        buffer.writeString(string, beginIndex, endIndex, charset)
        return emitCompleteSegments()
    }
}

至此，Okio 基本框架分析结束，用一张图总结：

Okio 框架

3. Okio 的缓冲区设计

3.1 使用缓冲区减少系统调用次数

在操作系统中，访问磁盘和网卡等 IO 操作需要通过系统调用来执行。系统调用本质上是一种软中断，进程会从用户态陷入内核态执行中断处理程序，完成 IO 操作后再从内核态切换回用户态。

可以看到，系统调用存在上下文切换的性能损耗。为了减少系统调用次数，应用层往往会采用缓冲区策略：

以 Java 原生 IO BufferedInputStream 为例，会通过一个 byte[] 数组作为数据源的输入缓冲，每次读取数据时会读取更多数据到缓冲区中：

• 如果缓冲区中存在有效数据，则直接从缓冲区数据读取；
• 如果缓冲区不存在有效数据，则先执行系统调用填充缓冲区（fill），再从缓冲区读取数据；
• 如果要读取的数据量大于缓冲区容量，就会跳过缓冲区直接执行系统调用。

输出流 BufferedOutputStream 也类似，输出数据时会优先写到缓冲区，当缓冲区满或者手动调用 flush() 时，再执行系统调用写出数据。

伪代码

// 1. 输入
fun read(byte[] dst, int len) : Int {
    // 缓冲区有效数据量
    int avail = count - pos
    if(avail <= 0) {
        if(len >= 缓冲区容量) {
            // 直接从输入流读取
            read(输入流 in, dst, len)
        }
        // 填充缓冲区
        fill(数据源 in, 缓冲区)
    }
    // 本次读取数据量，不超过可用容量
    int cnt = (avail < len) ? avail : len?
    read(缓冲区, dst, cnt)
    // 更新缓冲区索引
    pos += cnt
    return cnt
}

// 2. 输出
fun write(byte[] src, len) {
    if(len > 缓冲区容量) {
        // 先将缓冲区写出
        flush(缓冲区)
        // 直接写出数据
        write(输出流 out, src, len)
    }
    // 缓冲区剩余容量
    int left = 缓冲区容量 - count
    if(len > 缓冲区剩余容量) {
        // 先将缓冲区写出
        flush(缓冲区)
    }
    // 将数据写入缓冲区
    write(缓冲区, src, len)
    // 更新缓冲区已添加数据容量
    count += len
}

3.2 缓冲区的副作用

的确，缓冲区策略能有效地减少系统调用次数，不至于读取一个字节都需要执行一次系统调用，大多数情况下表现良好。 但考虑一种 “双流操作” 场景，即从一个输入流读取，再写入到一个输出流。回顾刚才讲的缓存策略，此时的数据转移过程为：

• 1、从输入流读取到缓冲区；
• 2、从输入流缓冲区拷贝到 byte[]（拷贝）
• 3、将 byte[] copy 到输出流缓冲区（拷贝）；
• 4、将输出流缓冲区写入到输出流。

如果这两个流都使用了缓冲区设计，那么数据在这两个内存缓冲区之间相互拷贝，就显得没有必要。

3.3 Okio 的 Buffer 缓冲区

Okio 当然也有缓冲区策略，如果没有就会存在频繁系统调用的问题。

Buffer 是 RealBufferedSource 和 RealBufferedSink 的数据缓冲区。虽然在实现上与原生 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 不一样，但在功能上是一样的。区别在于：

• 1、BufferedInputStream 中的缓冲区是 “一个固定长度的字节数组” ，数据从一个缓冲区转移到另一个缓冲区需要拷贝；

• 2、Buffer 中的缓冲区是 “一个 Segment 双向循环链表” ，每个 Segment 对象是一小段字节数组，依靠 Segment 链表的顺序组成逻辑上的连续数据。这个 Segment 片段是 Okio 高效的关键。

Buffer.kt

actual class Buffer : BufferedSource, BufferedSink, Cloneable, ByteChannel {

    // 缓冲区（Segment 双向链表）
    @JvmField internal actual var head: Segment? = null

    // 缓冲区数据量
    @get:JvmName("size")
    actual var size: Long = 0L
        internal set

    override fun buffer() = this

    actual override val buffer get() = this
}

对比 BufferedInputStream：

BufferedInputStream.java

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {

    // 缓冲区的默认大小（8KB）
    private static int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;

    // 输入缓冲区（固定长度的数组）
    protected volatile byte buf[];

    // 有效数据起始位，也是读数据的起始位
    protected int pos;

    // 有效数据量，pos + count 是写数据的起始位
    protected int count;

    ...
}

3.4 Segment 片段与 SegmentPool 对象池

Segment 中的字节数组是可以 “共享” 的，当数据从一个缓冲区转移到另一个缓冲区时，可以共享数据引用，而不一定需要拷贝数据。

Segment.kt

internal class Segment {

    companion object {
        // 片段的默认大小（8KB）
        const val SIZE = 8192
        // 最小共享阈值，超过 1KB 的数据才会共享
        const val SHARE_MINIMUM = 1024
    }

    // 底层数组
    @JvmField val data: ByteArra
    // 有效数据的起始位，也是读数据的起始位
    @JvmField var pos: Int = 0
    // 有效数据的结束位，也是写数据的起始位
    @JvmField var limit: Int = 0
    // 共享标记位
    @JvmField var shared: Boolean = false
    // 宿主标记位
    @JvmField var owner: Boolean = false
    // 后续指针
    @JvmField var next: Segment? = null
    // 前驱指针
    @JvmField var prev: Segment? = null

    constructor() {
        // 默认构造 8KB 数组（为什么默认长度是 8KB）
        this.data = ByteArray(SIZE)
        // 宿主标记位
        this.owner = true
        // 共享标记位
        this.shared = false
    }
}

另外，Segment 还使用了对象池设计，被回收的 Segment 对象会缓存在 SegmentPool 中。SegmentPool 内部维护了一个被回收的 Segment 对象单链表，缓存容量的最大值是 MAX_SIZE = 64 * 1024，也就相当于 8 个默认 Segment 的长度：

SegmentPool.kt

// object：全局单例
internal actual object SegmentPool {

    // 缓存容量
    actual val MAX_SIZE = 64 * 1024

    // 头节点
    private val LOCK = Segment(ByteArray(0), pos = 0, limit = 0, shared = false, owner = false)

    ...
}

Segment 示意图

4. 总结

• 1、Okio 将原生 IO 多种基础装饰器聚合在 BufferedSource 和 BufferedSink，使得框架更加精简；
• 2、为了减少系统调用次数的同时，应用层 IO 框架会使用缓存区设计。而 Okio 使用了基于共享 Segment 的缓冲区设计，减少了在缓冲区间转移数据的内存拷贝；
• 3、Okio 弥补了部分 IO 操作不支持超时检测的缺陷，而且 Okio 不仅支持单次 IO 操作的超时检测，还支持包含多次 IO 操作的复合任务超时检测。