Android 数据库 ObjectBox 源码解析

如若不关心实现细节可直接查看“ObjectBox 架构”、“总结”这两部分内容。（简书不支持锚点(；′⌒`)）

一、ObjectBox 是什么？

greenrobot 团队（现有 EventBus、greenDAO 等开源产品）推出的又一数据库开源产品，主打移动设备、支持跨平台，最大的优点是速度快、操作简洁，目前已在实际项目中踩坑。下面将逐步分析这一堪称超快数据库的 SDK 源码（Android 部分），一起探个究竟。

ObjectBox Android 介绍

市面上已经有诸如 greenDAO、Realm、Room 等众多开源产品，至于为什么还选择 ObjectBox，暂不在本文讨论范围内。

二、ObjectBox 怎么用？

在开始源码解析之前，先介绍一下用法。
1、项目配置依赖，根据官网介绍一步步操作即可，比较简单。
2、创建业务实体类，添加@Entity，同时通过@Id指定主键，之后Build -> Make Project。

创建业务实体，添加 ObjectBox 注解

3、ObjectBox Gradle 插件会在项目的 build 目录下生成 MyObjectBox 类，以及辅助类（如图中的User_、UserCursor、Order_、OrderCursor），接下来直接调用MyObjectBox 。

插件自动生成数据库辅助类

4、通过 MyObjectBox 类获取数据库（BoxStore），通过数据库获取对应的表（Box），进行 CRUD 操作。
创建数据库，获取表，增删改查

总结：实际开发过程中的感受，使用简单，配合 ObjectBrowser 直接在浏览器查看数据，开发体验好。

但是，为什么插件要自动创建MyObjectBox和User_、UserCursor、Order_、OrderCursor类呢？他们又分别起什么作用？SDK 内部如何运行？

三、ObjectBox 架构

要回答以上问题，先介绍一下 ObjectBox 架构。

ObjectBox 架构

从下往上看，主要分成 Engine、Core、Extentions 三层。

  1. Engine 层属于 Native，是整个数据库的引擎，可跨平台。
    目前已支持 Android（4.0+）、Linux（64位）、Windows（64位），而 macOS、iOS 的支持在开发中。
    大部分 Java 层的数据库操作都调用了 Native 方法，但 Native 部分目前没有开源。

  2. Core 和 Extentions 属于 Java。
    Core 层是核心，负责数据库管理、CRUD 以及和 Native 通信；
    Extentions 提供了诸如 Reactive、LiveData、Kotlin 等一系列的扩展。

下面将重点对 Core 层进行解析。

四、ObjectBox 源码解析

4.1 Entity

指的是添加了@Entity 注解的业务实体，如上文中提到的 User 类，一个 Entity 可看做一张数据库表。从上文可知 Gradle 插件自动生成了对应的 User_、UserCursor 类，其中 User_ 就是 EntityInfo。

User

4.2 EntityInfo

和 Entity 是成对出现的，目的是保存 Entity 的相关信息，如名称、属性（字段）等，用于后续的查询等一系列操作。


User_（User 类的 EntityInfo）

4.3 MyObjectBox

除了User_，插件还自动生成了 MyObjectBox 类，它只对外提供了 builder 方法返回 BoxStoreBuilder，用来构造数据库。

    /**
     * 创建 BoxStore 构造器
     *
     * @return 构造器
     */
    public static BoxStoreBuilder builder() {
        BoxStoreBuilder builder = new BoxStoreBuilder(getModel());
        builder.entity(User_.__INSTANCE);
        builder.entity(Order_.__INSTANCE);
        return builder;
    }

主要是做了两件事情，一个是getModel返回 Model，注意这里的 Model 是给 Native 层创建数据库用的，数据格式是 byte[]；

创建 Model

另一个是通过entity把所有 EntityInfo 保存起来，后续 Java 层的一系列操作都会用到。

可见插件把 @Entity 生成为 EntityInfo 和 Model，前者是给 Java 层用，后者是给 Native 层用。开发者会经常和 EntityInfo 打交道，但却不会感知到 Model 的存在。

4.4 BoxStore

BoxStore 代表着整个数据库，由 BoxStoreBuilder#build 生成（通过 BoxStoreBuilder 可以进行一些定制化配置，如最大读并发数、最大容量、数据库文件名等），从源码中可以看出 BoxStoreBuilder#build 方法 new 了一个 BoxStore 对象并返回：

    public BoxStore build() {
        if (directory == null) {
            name = dbName(name);
            directory = getDbDir(baseDirectory, name);
        }
        return new BoxStore(this);
    }

BoxStore 的作用：

  1. 加载所有 Native 库
  2. 调用 Native 方法创建数据库
  3. 调用 Native 方法依次创建 Entity
  4. 创建并管理 Box（和 Entity对应，下文介绍）
  5. 创建并管理 Transaction（所有数据库操作都会放到事务中，下文介绍）
  6. 提供数据订阅（有兴趣可自行分析 Reactive 拓展模块）

其中，1、2、3 都在 BoxStore 构造方法中完成，来看看代码：

    BoxStore(BoxStoreBuilder builder) {
        // 1、加载 Native
        NativeLibraryLoader.ensureLoaded();
         …… // 省略各种校验
        // 2、调用 Native 方法创建数据库，并返回句柄（其实就是id）
        // 后续一系列操作 Native 方法的调用都要回传这个句柄
        handle = nativeCreate(canonicalPath, builder.maxSizeInKByte, builder.maxReaders, builder.model);
        ……
        for (EntityInfo entityInfo : builder.entityInfoList) {
                ……
                // 3、调用 Native 方法依次注册 Entity，并返回句柄
                int entityId = nativeRegisterEntityClass(handle, entityInfo.getDbName(), entityInfo.getEntityClass());
                entityTypeIdByClass.put(entityInfo.getEntityClass(), entityId);
        }
        ……
    }

构造函数执行完，数据库就已准备就绪。

4.5 Box

通过调用 public <T> Box<T> boxFor(Class<T> entityClass) 方法，BoxStore 会为对应的 EntityClass 生成并管理 Box（和 EntityClass 一一对应）：

    /**
     * Returns a Box for the given type. Objects are put into (and get from) their individual Box.
     */
    public <T> Box<T> boxFor(Class<T> entityClass) {
        Box box = boxes.get(entityClass);
        if (box == null) {
            …… // 省略
            synchronized (boxes) {
                box = boxes.get(entityClass);
                if (box == null) {
                    // 创建 Box，传入 BoxStore 实例，以及 EntityClass
                    box = new Box<>(this, entityClass);
                    boxes.put(entityClass, box);
                }
            }
        }
        return box;
    }

Box 的职责就是进行 Entity 的 CRUD 操作，在深入分析其 CRUD 操作之前，必须先了解两个概念：Transaction（事务）和Cursor（游标）。

4.6 Transaction

Transaction（事务）是数据库管理系统执行过程中的一个逻辑单位，在 BoxStore 的介绍一节中提到其主要作用之一是“创建并管理 Transaction”。其实，在 ObjectBox 中，所有 Transaction 对象都是通过 BoxStore 的两个内部方法 beginTx() 和 beginReadTx() 生成，后者生成一个只读 Transaction（不允许写入，可复用，性能会更好）。

    @Internal
    public Transaction beginTx() {
        // 1、调用 Native 方法生成事务，并返回其句柄
        long nativeTx = nativeBeginTx(handle);
        // 2、生成 Transaction 对象，传入 BoxStore、Native 事务句柄、已提交事务数量（当该事务准备提交时，用来判断有没有被其他事务抢先提交，有点绕哈，可以不管）
        Transaction tx = new Transaction(this, nativeTx, initialCommitCount);
        synchronized (transactions) {
            transactions.add(tx);
        }
        return tx;
    }

    @Internal
    public Transaction beginReadTx() {
        ……
        // 唯一不同的是，这里调用了 nativeBeginReadTx 生成只读事务
        long nativeTx = nativeBeginReadTx(handle);
        ……
    }

从以上两个方法中，可以发现所有的事务最终都是调用 Native 生成，Transaction 对象只是持有其句柄（一个类型为 long 的变量），以便后续各个操作时回传给 Native，如：

    /** 调用 Transaction 对象的提交方法 */
    public void commit() {
        checkOpen();
        // 交由 Native 进行事务提交
        int[] entityTypeIdsAffected = nativeCommit(transaction);
        store.txCommitted(this, entityTypeIdsAffected);
    }

    /** 调用 Transaction 对象的中断方法 */
    public void abort() {
        checkOpen();
        // 交由 Native 进行事务中断
        nativeAbort(transaction);
    }

此外，在 ObjectBox 中，事务分为两类“显式事务”和“隐式事务”。

“显式事务”是指开发者直接调用以下方法运行的事务：
BoxStore#runInTx(Runnable)
BoxStore#runInReadTx(Runnable)
BoxStore#runInTxAsync(Runnable,TxCallback)
BoxStore#callInTx(Callable)
BoxStore#callInReadTx(Callable)
BoxStore#callInTxAsync(Callable,TxCallback)

“隐式事务”是指对开发者透明的，框架隐式创建和管理的事务，如下面会分析到的Box#get(long)方法。

有了事务，就可以在其中进行一系列数据库的操作，那么怎么创建“操作”？这些“操作”又是如何执行？。

4.7 Cursor

上文中所说的“操作”，实际上是 Cursor （游标）。

我们再来回顾一下，文章一开始我们提到 Gradle 插件会为 User 这个 Entity 生成一个叫做UserCursor的文件，这就是所有针对User 的 CRUD 操作真正发生的地方——游标，来看看其内容。

UserCursor 文件

UserCursor 继承了 Cursor<T> ，提供 Factory 供创建时调用，同时实现了 getId 方法，以及put 方法实现写入数据库操作。

上文中提到 Box 的职责是 CRUD，其实最终都落实到了游标身上。虽然开发过程中不会直接调用 Cursor 类，但是有必要弄明白其中原理。

首先，所有游标的创建，必须调用 Transation 的 createCursor 方法（注意看注释）：

    public <T> Cursor<T> createCursor(Class<T> entityClass) {
        checkOpen();
        EntityInfo entityInfo = store.getEntityInfo(entityClass);
        CursorFactory<T> factory = entityInfo.getCursorFactory();

        // 1、调用 Native 创建游标，传入 transaction （事务句柄），dbName，entityClass 三个参数，并返回句柄（游标ID）
        // 通过这三个参数，把[游标]和[事务]、[数据库表名]、[EntityClass]进行绑定
        long cursorHandle = nativeCreateCursor(transaction, entityInfo.getDbName(), entityClass);

        // 2、调用 factory 创建 Cursor 对象，传入游标句柄（后续一系列操作会回传给 Native）
        return factory.createCursor(this, cursorHandle, store);
    }

其次，拿到游标，就可以调用相关方法，进行 CRUD 操作：

// Cursor<T> 抽象类

    public T get(long key) {
        // Native 查询，传入游标句柄、ID值
        return (T) nativeGetEntity(cursor, key);
    }

    public T next() {
        // Native 查询下一条，传入游标句柄
        return (T) nativeNextEntity(cursor);
    }

    public T first() {
        // Native 查询第一条，传入游标句柄
        return (T) nativeFirstEntity(cursor);
    }

    public void deleteEntity(long key) {
        // Native 删除，传入游标句柄、ID值
        nativeDeleteEntity(cursor, key);
    }

// UserCursor 类 （extends Cursor<User>）

    @Override
    public final long put(User entity) {
        ……
        // Native 进行插入/更新，传入游标句柄
        long __assignedId = collect313311(cursor, entity.getId(),……);
        ……
        return __assignedId;
    }

Cursor 类提供了一系列 collectXXXXXX 的方法供数据插入/更新，比较有意思的思路，感兴趣的可以自行阅读。

而游标的 CRUD 操作（如写），最终都是要依靠事务才能完成提交。

那么，又回到 Box 一节的问题，Box 是如何把Transaction和Cursor结合起来完成 CRUD 操作的呢？

4.8 Box 的 CRUD 操作

下图是开发者直接调用 Box 进行 CRUD 操作的所有接口。

Box CRUD 接口

我们挑两个例子来分析。

4.8.1 查询 Box#get(long) 

public T get(long id) {
    // 1、获取一个只读游标
    Cursor<T> reader = getReader();
    try {
        // 2、调用游标的 get 方法
        return reader.get(id);
    } finally {
        // 3、释放，只读事务只会回收，以便复用
        releaseReader(reader);
    }
}

从“游标”一节中我们知道，游标必须由事务创建，我们来看看Box#getReader()方法：

Cursor<T> getReader() {
    // 1、判断当前线程是否有可用事务和可用游标（ThreadLocal<Cursor<T>>变量保存）
    Cursor<T> cursor = getActiveTxCursor();
    if (cursor != null) {
        return cursor;
    } else {
        …… （省略缓存处理逻辑）
        // 2、当前线程无可用游标，调用 BoxStore 启动只读事务、创建游标
        cursor = store.beginReadTx().createCursor(entityClass);
        // 3、缓存游标，下次使用
        threadLocalReader.set(cursor);
    }
    return cursor;
}

所以 Box 所有查询操作，先去 BoxStore 获取一个只读游标，随后调用其 Cursor#get(long) 方法并返回结果，最后再回收该游标及其对应的事务。

4.8.2 添加 Box#put(T) 

public long put(T entity) {
    // 1、获取游标（默认可以读写）
    Cursor<T> cursor = getWriter();
    try {
        // 2、调用游标的 put 方法
        long key = cursor.put(entity);
        // 3、事务提交
        commitWriter(cursor);
        return key;
    } finally {
        // 4、释放，读写事务会被销毁，无法复用
        releaseWriter(cursor);
    }
}

和 getReader 方法不同，因为“写事务”无法复用，所以getWriter 少了缓存事务的逻辑，完整代码：

Cursor<T> getWriter() {
    // 1、和 getReader 一样，判断当前线程是否有可用事务和可用游标
    Cursor<T> cursor = getActiveTxCursor();
    if (cursor != null) {
        return cursor;
    } else {
        // 2、当前线程无可用游标，调用 BoxStore 启动事务、创建游标
        Transaction tx = store.beginTx();
        try {
            return tx.createCursor(entityClass);
        } catch (RuntimeException e) {
            tx.close();
            throw e;
        }
    }
}

所以 Box 所有添加操作，先去 BoxStore 获取一个游标，随后调用其 Cursor#put(T) 方法并返回 id，最后再销毁该游标及其对应的事务。

当我们调用 Box 相关 CRUD 操作时，事务、游标的处理都在 Box 及 BoxStore 内部处理完成，对开发者是透明的，也就是上面说到的“隐式事务”。

另外，Box 只能够满足根据“主键”的查询，如果查询条件涉及到“过滤”、“多属性联合”、“聚合”等比较复杂的，得借助 Query 类。

4.9 Query

我们先来看看 Query 用法：

Query 用法

首先通过 Box#query() 调用 Native 方法获取 QueryBuilder 对象（持有 Native 句柄）。针对 QueryBuilder 可以设置各种查询条件，比如 equal(Property,long)：

public QueryBuilder<T> equal(Property property, long value) {
    ……
    // 调用 Native 方法，设置 equal 查询条件，传入属性 id 及目标数值
    checkCombineCondition(nativeEqual(handle, property.getId(), value));
    return this;
}

再通过 QueryBuilder#build() 调用 Native 方法生成 Query 对象（持有 Native 句柄），最后，通过 Query#find() 返回所需数据，且 Query 对象可以重复使用。

在理解了事务、游标等概念后，很容易理解 QueryBuilder 以及 Query，更多代码就不贴出来了。

五、总结

以上，我们逐一分析了 ObjectBox 架构 Core 层各核心类的作用及其关系，总结起来就是：

Core 层关系图

参考资料

ObjectBox 官网

ObjectBox 文档

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