Android Jetpack系列之DataStore

Jetpack DataStore 是一种改进的新数据存储解决方案，允许使用协议缓冲区存储键值对或类型化对象。DataStore 以异步、一致的事务方式存储数据，克服了 SharedPreferences（以下统称为SP）的一些缺点。DataStore基于Kotlin协程和Flow实现，并且可以对SP数据进行迁移，旨在取代SP。

DataStore提供了两种不同的实现：Preferences DataStore与Proto DataStore，其中Preferences DataStore用于存储键值对；Proto DataStore用于存储类型化对象，后面会分别给出对应的使用例子。

二、SharedPreferences缺点

DataStore出现之前，我们用的最多的存储方式毫无疑问是SP，其使用方式简单、易用，广受好评。然而google对SP的定义为轻量级存储，如果存储的数据少，使用起来没有任何问题，当需要存储数据比较多时，SP可能会导致以下问题：

• SP第一次加载数据时需要全量加载，当数据量大时可能会阻塞UI线程造成卡顿
• SP读写文件不是类型安全的，且没有发出错误信号的机制，缺少事务性API
• commit() / apply()操作可能会造成ANR问题：

commit()是同步提交，会在UI主线程中直接执行IO操作，当写入操作耗时比较长时就会导致UI线程被阻塞，进而产生ANR；apply()虽然是异步提交，但异步写入磁盘时，如果执行了Activity / Service中的onStop()方法，那么一样会同步等待SP写入完毕，等待时间过长时也会引起ANR问题。针对apply()我们展开来看一下：

SharedPreferencesImpl#EditorImpl.java中最终执行了apply()函数：

 public final CountDownLatch writtenToDiskLatch = new CountDownLatch(1);

 public void apply() {
   final MemoryCommitResult mcr = commitToMemory();
   final Runnable awaitCommit = new Runnable() {
           public void run() {
               try {
                   mcr.writtenToDiskLatch.await();
               } catch (InterruptedException ignored) {
              }
          }
      };

   //8.0之前
   QueuedWork.add(awaitCommit);
   //8.0之后
   QueuedWork.addFinisher(awaitCommit);
   
   //异步执行磁盘写入操作
   SharedPreferencesImpl.this.enqueueDiskWrite(mcr, postWriteRunnable);
   //......其他......
}

构造一个名为awaitCommit的Runnable任务并将其加入到QueuedWork中，该任务内部直接调用了CountDownLatch.await()方法，即直接在UI线程执行等待操作，那么需要看QueuedWork中何时执行这个任务。

QueuedWork类在Android8.0以上和8.0以下的版本实现方式有区别：

8.0之前QueuedWork.java：

public class QueuedWork {
    private static final ConcurrentLinkedQueue sPendingWorkFinishers =
            new ConcurrentLinkedQueue();

    public static void add(Runnable finisher) {
        sPendingWorkFinishers.add(finisher);
    }

    public static void waitToFinish() {
        Runnable toFinish;
        // 从队列中取出任务：如果任务为空，则跳出循环，UI线程可以继续往下执行；
        //反之任务不为空，取出任务并执行，实际执行的CountDownLatch.await()，即UI线程会阻塞等待
        while ((toFinish = sPendingWorkFinishers.poll()) != null) {
            toFinish.run();
        }
    }

  //......其他......
}

8.0之后QueuedWork.java：

public class QueuedWork {
  private static final LinkedList sFinishers = new LinkedList<>();
  
  public static void waitToFinish() {
     Handler handler = getHandler();
     StrictMode.ThreadPolicy oldPolicy = StrictMode.allowThreadDiskWrites();
     try {
        //8.0之后优化，会主动尝试执行写磁盘任务
         processPendingWork();
     } finally {
         StrictMode.setThreadPolicy(oldPolicy);
     }

     try {
         while (true) {
             Runnable finisher;
             synchronized (sLock) {
                 //从队列中取出任务
                 finisher = sFinishers.poll();
             }
             //如果任务为空，则跳出循环，UI线程可以继续往下执行
             if (finisher == null) {
                 break;
             }
             //任务不为空，执行CountDownLatch.await()，即UI线程会阻塞等待
             finisher.run();
         }
     } finally {
         sCanDelay = true;
     }
  }
 }

可以看到不管8.0之前还是之后，waitToFinish()都会尝试从Runnable任务队列中取任务，如果有的话直接取出并执行，直接看哪里调用了waitToFinish()：

ActivityThread.java

private void handleStopActivity(IBinder token, boolean show, int configChanges, int seq) {
  //......其他......
  QueuedWork.waitToFinish();
}

private void handleStopService(IBinder token) {
  //......其他......
  QueuedWork.waitToFinish();
}

省略了一些代码细节，可以看到在ActivityThread中handleStopActivity、handleStopService方法中都会调用waitToFinish()方法，即在Activity的onStop()中、Service的onStop()中都会先同步等待写入任务完成才会继续执行。

所以apply()虽然是异步写入磁盘，但是如果此时执行到Activity/Service的onStop()，依然可能会阻塞UI线程导致ANR。

画外音：SP使用过程中导致的ANR问题，可以通过一些Hook手段进行优化，如字节发布的 今日头条 ANR 优化实践系列 – 告别 SharedPreference 等待。我司项目里使用的SP也是按此优化，优化后效果还是比较显著的，所以目前项目也还没有对SP进行迁移(如迁移到MMKV或DataStore)，但并不影响我们学习新的存储姿势。

三、DataStore使用

DataStore优势：

• DataStore基于事务方式处理数据更新。
  • DataStore基于Kotlin Flow存取数据，默认在Dispatchers.IO里异步操作，避免阻塞UI线程，且在读取数据时能对发生的Exception进行处理。
  • 不提供apply()、commit()存留数据的方法。
  • 支持SP一次性自动迁移至DataStore中。

3.1 Preferences DataStore

添加依赖项

implementation 'androidx.datastore:datastore-preferences:1.0.0'

构建Preferences DataStore

val Context.bookDataStorePf: DataStore by preferencesDataStore(
    // 文件名称
    name = "pf_datastore")

通过上面的代码，我们就成功创建了Preferences DataStore，其中preferencesDataStore()是一个顶层函数，包含以下几个参数：

• name：创建Preferences DataStore的文件名称。
• corruptionHandler：如果DataStore在试图读取数据时，数据无法反序列化，会抛出androidx.datastore.core.CorruptionException，此时会执行corruptionHandler。
• produceMigrations：SP产生迁移到Preferences DataStore。ApplicationContext作为参数传递给这些回调，迁移在对数据进行任何访问之前运行。
• scope：协程作用域，默认IO操作在Dispatchers.IO线程中执行。

上述代码执行后，会在/data/data/项目包名/files/下创建名为pf_datastore的文件如下：

可以看到后缀名并不是xml，而是.preferences_pb。这里需要注意一点：不能将上面的初始化代码写到Activity里面去，否则重复进入Actvity并使用Preferences DataStore时，会尝试去创建一个同名的.preferences_pb文件，因为之前已经创建过一次，当检测到尝试创建同名文件时，会直接抛异常：

java.lang.IllegalStateException: There are multiple DataStores active for the same file：xxx. You should  either maintain your DataStore as a singleton or confirm that there is no two DataStore's active on the same file (by confirming that the scope is cancelled).

报错类在androidx.datastore:datastore-core:1.0.0的androidx/datastore/core/SingleProcessDataStore下：

internal val activeFiles = mutableSetOf()
file.absolutePath.let {
        synchronized(activeFilesLock) {
            check(!activeFiles.contains(it)) {
                "There are multiple DataStores active for the same file: $file. You should " +
                    "either maintain your DataStore as a singleton or confirm that there is " +
                    "no two DataStore's active on the same file (by confirming that the scope" +
                    " is cancelled)."
            }
            activeFiles.add(it)
        }
    }

其中file是通过File(applicationContext.filesDir, "datastore/$fileName")生成的文件，即Preferences DataStore最终要在磁盘中操作的文件地址，activeFiles是在内存中保存生成的文件路径的，如果判断到activeFiles里已经有该文件，直接抛异常，即不允许重复创建。

存数据

首先声明一个实体类BookModel：

data class BookModel(
    var name: String = "",
    var price: Float = 0f,
    var type: Type = Type.ENGLISH
)

enum class Type {
    MATH,
    CHINESE,
    ENGLISH
}

BookRepo.kt中执行存储操作：

const val KEY_BOOK_NAME = "key_book_name"
const val KEY_BOOK_PRICE = "key_book_price"
const val KEY_BOOK_TYPE = "key_book_type"

//Preferences.Key类型
object PreferenceKeys {
    val P_KEY_BOOK_NAME = stringPreferencesKey(KEY_BOOK_NAME)
    val P_KEY_BOOK_PRICE = floatPreferencesKey(KEY_BOOK_PRICE)
    val P_KEY_BOOK_TYPE = stringPreferencesKey(KEY_BOOK_TYPE)
}

/**
 * Preferences DataStore存数据
 */
suspend fun saveBookPf(book: BookModel) {
    context.bookDataStorePf.edit { preferences ->
        preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_NAME] = book.name
        preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_PRICE] = book.price
        preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_TYPE] = book.type.name
    }
}

Activity中：

lifecycleScope.launch {
   val book = BookModel(
         name = "Hello Preferences DataStore",
         price = (1..10).random().toFloat(), //这里价格每次点击都会变化，为了展示UI层能随时监听数据变化
         type = Type.MATH )
   mBookRepo.savePfData(book)
}

通过 bookDataStorePf.edit(transform: suspend (MutablePreferences) -> Unit) 挂起函数进行存储，该函数接受 transform 块，能够以事务方式更新DataStore中的状态。

取数据

/**
 * Preferences DataStore取数据 取数据时可以对Flow数据进行一系列处理
 */
val bookPfFlow: Flow = context.bookDataStorePf.data.catch { exception ->
    // dataStore.data throws an IOException when an error is encountered when reading data
    if (exception is IOException) {
        emit(emptyPreferences())
    } else {
        throw exception
    }
}.map { preferences ->
    //对应的Key是 Preferences.Key
    val bookName = preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_NAME] ?: ""
    val bookPrice = preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_PRICE] ?: 0f
    val bookType = Type.valueOf(preferences[PreferenceKeys.P_KEY_BOOK_TYPE] ?: Type.MATH.name)
    return@map BookModel(bookName, bookPrice, bookType)
}

Activity中：

lifecycleScope.launch {
    mBookViewModel.bookPfFlow.collect {
        mTvContentPf.text = it.toString()
    }
}

通过bookDataStorePf.data 返回的是Flow，那么后续就可以通过Flow对数据进行一系列处理。从文件读取数据时，如果出现错误，系统会抛出IOExceptions。可以在 map() 之前使用 catch() 运算符，并且在抛出的异常是 IOException 时发出 emptyPreferences()。如果出现其他类型的异常，重新抛出该异常。

注意：Preferences DataStore存取数据时的Key是Preferences.Key< T>类型，且其中的T只能存 Int、Long、Float、Double、Boolean、String、Set< String>类型，此限制在androidx/datastore/preferences/core/PreferencesSerializer类参与序列化的getValueProto()方法中：

 private fun getValueProto(value: Any): Value {
     return when (value) {
         is Boolean -> Value.newBuilder().setBoolean(value).build()
         is Float -> Value.newBuilder().setFloat(value).build()
         is Double -> Value.newBuilder().setDouble(value).build()
         is Int -> Value.newBuilder().setInteger(value).build()
         is Long -> Value.newBuilder().setLong(value).build()
         is String -> Value.newBuilder().setString(value).build()
         is Set<*> ->
             @Suppress("UNCHECKED_CAST")
             Value.newBuilder().setStringSet(
                 StringSet.newBuilder().addAllStrings(value as Set)
             ).build()
          //如果不是上面的类型，会直接抛异常
         else -> throw IllegalStateException(
             "PreferencesSerializer does not support type: ${value.javaClass.name}"
         )
     }
 }

可以看到最后一个else逻辑中，如果不是上面的类型，会直接抛异常。因为Key是Preferences.Key< T>类型，系统默认帮我们包了一层，位于androidx.datastore.preferences.core.PreferencesKeys.kt：

public fun intPreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun doublePreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun stringPreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun booleanPreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun floatPreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun longPreferencesKey(name: String): Preferences.Key = Preferences.Key(name)

public fun stringSetPreferencesKey(name: String): Preferences.Key> =
    Preferences.Key(name)

因为上述的声明都在顶层函数中，所以可以直接使用。比如我们想声明一个String类型的Preferences.Key< T>，可以直接如下进行声明：

val P_KEY_NAME: Preferences.Key = stringPreferencesKey("key")

SP迁移至Preferences DataStore

如果想对SP进行迁移，只需在Preferences DataStore构建环节添加produceMigrations参数（该参数含义创建环节已介绍）如下：

//SharedPreference文件名
const val BOOK_PREFERENCES_NAME = "book_preferences"

val Context.bookDataStorePf: DataStore by preferencesDataStore(
    name = "pf_datastore",  //DataStore文件名称
    //将SP迁移到Preference DataStore中
    produceMigrations = { context ->
        listOf(SharedPreferencesMigration(context, BOOK_PREFERENCES_NAME))
    }
)

这样构建完成时，SP中的内容也会迁移到Preferences DataStore中了，注意迁移是一次性的，即执行迁移后，SP文件会被删除，如下：

迁移之前(SP文件已存在)：

创建Preferences DataStore并执行迁移后(SP文件已经被删除)：

3.2 Proto DataStore

SP 和 Preferences DataStore 的一个缺点是无法定义架构，保证不了存取键时使用了正确的数据类型。Proto DataStore 可利用 Protocol Buffers协议缓冲区 定义架构来解决此问题。

Protobuf协议缓冲区是一种对结构化数据进行序列化的机制。通过使用协议，Proto DataStore 可以知道存储的类型，无需使用键便能提供类型。

添加依赖项

1、添加协议缓冲区插件及 Proto DataStore 依赖项

为了使用Proto DataStore，让协议缓冲区为我们的架构生成代码，需要在build.gradle 中引入protobuf插件：

plugins {
    ...
    id "com.google.protobuf" version "0.8.17"
}

android {
    //.............其他配置..................
    
    sourceSets {
        main {
            java.srcDirs = ['src/main/java']
            proto {
                //指定proto源文件地址
                srcDir 'src/main/protobuf'
                include '**/*.protobuf'
            }
        }
    }

    //proto buffer 协议缓冲区相关配置 用于DataStore
    protobuf {
        protoc {
            //protoc版本参见：https://repo1.maven.org/maven2/com/google/protobuf/protoc/
            artifact = "com.google.protobuf:protoc:3.18.0"
        }
        // Generates the java Protobuf-lite code for the Protobufs in this project. See
        // https://github.com/google/protobuf-gradle-plugin#customizing-protobuf-compilation
        // for more information.
        generateProtoTasks {
            all().each { task ->
                task.builtins {
                    java {
                        option 'lite'
                    }
                }
            }
        }
        //修改生成java类的位置 默认是 $buildDir/generated/source/proto
        generatedFilesBaseDir = "$projectDir/src/main/generated"
    }
}

dependencies {
    api 'androidx.datastore:datastore:1.0.0'
    api  "com.google.protobuf:protobuf-javalite:3.18.0"
    ...
}

需要配置或引入的库看上去还挺多，可以考虑将这些配置单独放到一个module中去。

2、定义和使用protobuf对象

只需对数据结构化的方式进行一次定义，编译器便会生成源代码，轻松写入和读取结构化数据。我们是配置依赖项的sourceSets{}中声明了proto源码地址路径在src/main/protobuf，所有的proto文件都要在该声明的路径下：

Book.proto文件内容：

//指定protobuf版本，没有指定默认使用proto2，必须在第一行进行指定
syntax = "proto3";

//option：可选字段
//java_package：指定proto文件生成的java类所在的包名
option java_package = "org.ninetripods.mq.study";
//java_outer_classname：指定该proto文件生成的java类的名称
option java_outer_classname = "BookProto";

enum  Type {
  MATH = 0;
  CHINESE = 1;
  ENGLISH = 2;
}

message Book {
  string name = 1; //书名
  float price = 2; //价格
  Type type = 3; //类型
}

上述代码编写完后，执行Build -> ReBuild Project，就会在generatedFilesBaseDir配置的路径下生成对应Java代码，如下：

3、创建序列化器

序列化器定义了如何存取我们在 proto 文件中定义的数据类型。如果磁盘上没有数据，序列化器还会定义默认返回值。如下我们创建一个名为BookSerializer的序列化器：

object BookSerializer : Serializer {
    override val defaultValue: BookProto.Book = BookProto.Book.getDefaultInstance()

    override suspend fun readFrom(input: InputStream): BookProto.Book {
        try {
            return BookProto.Book.parseFrom(input)
        } catch (exception: InvalidProtocolBufferException) {
            throw CorruptionException("Cannot read proto.", exception)
        }
    }

    override suspend fun writeTo(t: BookProto.Book, output: OutputStream) {
        t.writeTo(output)
    }
}

其中，BookProto.Book是通过协议缓冲区生成的代码，如果找不到 BookProto.Book 对象或相关方法，可以清理并Rebuild项目，以确保协议缓冲区生成对象。

构建Proto DataStore

//构建Proto DataStore
val Context.bookDataStorePt: DataStore by dataStore(
    fileName = "BookProto.pb",
    serializer = BookSerializer)

dataStore为顶层函数，可以传入的参数如下：

• fileName: 创建Proto DataStore的文件名称。
• serializer: Serializer序列化器定义了如何存取格式化数据。
• corruptionHandler：如果DataStore在试图读取数据时，数据无法反序列化，抛出androidx.datastore.core.CorruptionException，则调用corruptionHandler。
• produceMigrations：SP迁移到Proto DataStore时执行。ApplicationContext作为参数传递给这些回调，迁移在对数据进行任何访问之前运行
• scope：协程作用域，默认IO操作在Dispatchers.IO线程中执行。

上述代码执行后，会在/data/data/项目包名/files/下创建名为BookProto.pb的文件如下：

存数据

lifecycleScope.launch {
      //构建BookProto.Book
      val bookInfo = BookProto.Book.getDefaultInstance().toBuilder()
          .setName("Hello Proto DataStore")
          .setPrice(20f)
          .setType(BookProto.Type.ENGLISH)
          .build()
      bookDataStorePt.updateData { bookInfo }
  }

Proto DataStore 提供了一个挂起函数DataStore.updateData() 来存数据，当存储完成时，协程也执行完毕。

取数据

 /**
  * Proto DataStore取数据
  */
 val bookProtoFlow: Flow = context.bookDataStorePt.data
     .catch { exception ->
         if (exception is IOException) {
             emit(BookProto.Book.getDefaultInstance())
         } else {
             throw exception
        }
   }

//Activity中
lifecycleScope.launch {
       mBookViewModel.bookProtoFlow.collect {
       mTvContentPt.text = it.toString()
    }
}

Proto DataStore取数据方式跟Preferences DataStore一样，不再赘述。

SP迁移至Proto DataStore

//构建Proto DataStore
val Context.bookDataStorePt: DataStore by dataStore(
    fileName = "BookProto.pb",
    serializer = BookSerializer,
    //将SP迁移到Proto DataStore中
    produceMigrations = { context ->
        listOf(
            androidx.datastore.migrations.SharedPreferencesMigration(
                context,
                BOOK_PREFERENCES_NAME
            ) { sharedPrefs: SharedPreferencesView, currentData: BookProto.Book ->
                
                //从SP中取出数据
                val bookName: String = sharedPrefs.getString(KEY_BOOK_NAME, "") ?: ""
                val bookPrice: Float = sharedPrefs.getFloat(KEY_BOOK_PRICE, 0f)

                val typeStr = sharedPrefs.getString(KEY_BOOK_TYPE, BookProto.Type.MATH.name)
                val bookType: BookProto.Type =
                    BookProto.Type.valueOf(typeStr ?: BookProto.Type.MATH.name)

                //将SP中的数据存入Proto DataStore中
                currentData.toBuilder()
                    .setName(bookName)
                    .setPrice(bookPrice)
                    .setType(bookType)
                    .build()
            }
        )
    }
)

Proto DataStore 定义了 SharedPreferencesMigration 类。migrate里指定了下面两个参数：

• SharedPreferencesView： 可以用于从 SharedPreferences 中检索数据
• BookProto.Book：当前数据

同样地在创建时如果传入了produceMigrations，那么SP文件会迁移至Proto DataStore，迁移完后SP文件被删除。

这里还需要注意一点，Preferences DataStore 、Proto DataStore在执行迁移时都会用到SharedPreferencesMigration类，但是这两个地方用到该类对应的包名是不一样的，如Proto DataStore的包名路径是androidx.datastore.migrations.SharedPreferencesMigration，当把他们写在一个文件里时，注意其中一个要使用完整路径。

四、总结

直接上官网给出的SP与DataStore对比：

文章中完整示例代码参见：Jetpack DataStore示例

五、参考

【1】官方：使用 Jetpack DataStore 进行数据存储

【2】官方：使用 Preferences DataStore