Android 原生 SQLite 数据库的一次封装实践

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作者：Li Bingyan

本文主要讲述原生SQLite数据库的一次ORM封装实践，给使用原生数据库操作的业务场景（如：本身是一个SDK）带来一些启示和参考意义，以及跟随框架的实现思路对数据库操作、APT、泛型等概念更深一层的理解。

实现思路：通过动态代理获取请求接口参数进行SQL拼凑，并以接口返回值（泛型）类型的RawType和ActualType来适配调用方式和执行结果，以此将实际SQL操作封装在其内部来简化数据库操作的目的。

一、背景 

毫无疑问，关于Android数据库现在已经有很多流行好用的ORM框架了，比如：Room、GreenDao、DBFlow等都提供了简洁、易用的API，尤其是谷歌开源的Room是目前最主流的框架。

既然已经有了这么多数据库框架了，为什么还要动手封装所谓自己的数据库框架呢？对于普通 APP 的开发确实完全不需要，这些框架中总有一款可以完全满足你日常需求；但如果你是一个SDK开发者，而且业务是一个比较依赖数据库操作的场景，如果限制不能依赖第三方SDK（主要考量维护性、问题排查、稳定性、体积大小），那就不得不自己去写原生SQLite操作了，这将是一个既繁琐又容易出错的过程（数据库升级/降级/打开/关闭、多线程情况、拼凑SQL语句、ContentValues插数据、游标遍历/关闭、Entity转换等）。

为了在SDK的开发场景中避免上述繁琐且容易出错的问题，于是就有了接下来的一系列思考和改造。

二、预期目的

1. 能简化原生的增删改查冗长操作，不要再去写容易出错的中间逻辑步骤
2. 自动生成数据库的建表、升级/降级逻辑
3. 易用的调用接口（支持同步/异步、线程切换）
4. 稳定可靠，无性能问题

三、方案调研

观察我们日常业务代码可以发现：一次数据库查询与一次网络请求在流程上是极为相似的，都是经过构造请求、发起请求、中间步骤、获取结果、处理结果等几个步骤。因此感觉可以将数据库操作以网络请求的方式进行抽象和封装，其详细对比如下表所示：

通过上述相似性的对比并综合现有ORM框架来考虑切入口，首先想到的是使用注解：

主流Room使用的是编译时注解（更有利于性能），但在具体编码实现Processor过程中发现增删改查操作的出参和入参处理有点过于繁琐（参考Room实现），不太适用于本身就是一个SDK的场景，最终pass掉了。

运行时注解处理相对更简单一些（接口和参数较容易适配、处理流程也可以直接写我们熟悉的安卓原生代码），而且前面已经有了大名鼎鼎的网络请求库Retrofit使用运行时注解实现网络请求的典型范例，因此可以依葫芦画瓢尝试实现一下数据库增删改查操作，也是本次改造最终的实现方案。

相信大部分安卓客户端开发同学都用过Retrofit（网络请求常用库），其大概原理是：使用动态代理获取接口对应的Method对象为入口，并通过该Method对象的各种参数（注解修饰）构造出Request对象抛给okhttp做实际请求，返回值则通过Conveter和Adapter适配请求结果（bean对象）和调用方式，如：Call<List<Bean>>、Observable<List<Bean>>等。

它以这种方式将网络请求的内部细节封装起来，极大简化了网络请求过程。根据其相似性，数据库操作（增删改查）也可以使用这个机制来进一步封装。

对于数据库的建表、升级、降级等这些容易出错的步骤，最好是不要让使用者自己去手动写这部分逻辑，方案使用编译时注解来实现（Entitiy类和字段属性、版本号通过注解对应起来），在编译期间自动生成SQLiteOpenHelper的实现类。

综合以上两部分基本实现了所有痛点操作不再需要调用者去关注（只需关注传参和返回结果），于是将其独立成一个数据库模块，取名Sponsor( [ˈspɑːnsər] )，寓意一种分发器或调度器方案，目前已在团队内部使用。

四、Sponsor调用示例

1、Entity定义：

//Queryable:表示一个可查询的对象，有方法bool convert(Cursor cursor)，将cursor转换为Entitiy
//Insertable:表示一个可插入的对象，有方法ContentValues convert()，将Entitiy转换为ContentValues
public class FooEntity implements Queryable, Insertable {
    /**
     * 数据库自增id
     */
    private int id;

    /**
     * entitiy id
     */
    private String fooId;

    /**
     * entity内容
     */
    private String data;
  
    //其他属性
  
   //getter()/setter()
}

2、接口定义，声明增删改查接口：

/**
 * 插入
 * @return 最后一个row Id
 */
@Insert(tableName = FooEntity.TABLE)
Call<Integer> insertEntities(List<FooEntity> entities);

/**
 * 查询
 * @return 获取的entitiy列表
 */
@Query("SELECT * FROM " + FooEntity.TABLE + " WHERE " + FooEntity.CREATE_TIME + " > "
        + Parameter1.NAME + " AND " + FooEntity.CREATE_TIME + " < " + Parameter2.NAME
        + " ORDER BY " + FooEntity.CREATE_TIME + " ASC LIMIT " + Parameter3.NAME)
Call<List<FooEntity>> queryEntitiesByRange(@Parameter1 long start, @Parameter2 long end, @Parameter3 int limit);


/**
 * 删除
 * @return 删除记录的条数
 */
@Delete(tableName = FooEntity.TABLE, whereClause = FooEntity.ID + " >= "
        + Parameter1.NAME + " AND " + FooEntity.ID + " <= " + Parameter2.NAME)
Call<Integer> deleteByIdRange(@Parameter1 int startId, @Parameter2 int endId);

3、创建FooService实例：

Sponsor sponsor = new Sponsor.Builder(this)
        .allowMainThreadQueries() //是否运行在主线程操作，默认不允许
        //.addCallAdapterFactory(RxJava2CallAdapterFactory.create()) //rxjava
        //.addCallAdapterFactory(Java8CallAdapterFactory.create()) //java8
        //.addCallAdapterFactory(LiveDataCallAdapterFactory.create()) //livedata
        .logger(new SponsorLogger()) //日志输出
        .build();

//调用create()方法创建FooService实例，实际上是返回了FooService的动态代理对象
FooService mFooService = sponsor.create(FooService.class);

4、插入Entitiy数据：

//构造Entity列表
List<FooEntity> entities = new ArrayList<>();
//add entities

//同步方式
//rowId为最终的自增id（同原生insert操作返回值）
//final int rowId = mFooService.insertEntities(entities).execute();

//异步方式
mFooService.insertEntities(entities).enqueue(new Callback<Integer>() {
    @Override
    public void onResponse(Call<Integer> call, Integer rowId) {
        //success
    }

    @Override
    public void onFailure(Call<Integer> call, Throwable t) {
        //failed
    }
});

5、查询参数指定数据库记录，并转换为Entitiy对象列表：

List<FooEntity> entities;

//entities为查询结果集合
entities = mFooService.queryEntitiesByRange(1, 200, 100).execute();

6、删除参数指定数据库记录，返回总共删除的记录条数：

//cout为删除的条数
int count = mFooService.deleteByIdRange(0, 100).execute();

注：

1. 以上所有操作都支持根据具体的场景进行同步/异步调用。
2. 增、删、改操作的Call<?>返回值参数（泛型参数）还可以直接指定为Throwable，如果内部异常可以通过它返回，成功则为空

五、核心实现点

基本原理仍是借鉴了Retrofit框架的实现，通过动态代理拿到Method对象的各种参数进行SQL拼凑，并通过Converter和Adapter适配执行结果，整体框架有如下几module构成：

• sponsor:主体实现
• sponsor_annotaiton:注解定义，包括运行时注解和编译时注解
• sponsor_compiler:数据库建表、升级/降级等逻辑的Processor实现
• sponsor_java8、sponsor_livedata、sponsor_rxjava2：适配几种主流的调用方式

1、动态代理入口

public <T> T create(final Class<T> daoClass, final Class<? extends DatabaseHelper> helperClass) {
    final Object obj = Proxy.newProxyInstance(daoClass.getClassLoader(), new Class<?>[]{daoClass},
            new InvocationHandler() {
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            if (method.getDeclaringClass() == Object.class) {
                return method.invoke(this, args);
            }
            DaoMethod<Object, Object> daoMethod =
                    (DaoMethod<Object, Object>) loadDaoMethod(method);

            final DatabaseHelper helper = loadDatabaseHelper(daoClass, helperClass);
            Call<Object> call = new RealCall<>(helper, mDispatcher, mAllowMainThreadQueries,
                    mLogger, daoMethod, args);

            return daoMethod.adapt(call);
        }
    });
    return (T) obj;
}

2、接口适配

由于动态代理会返回接口的Method对象和参数列表args[]，可以通过这两个参数拿到上述标识的所有元素，具体方法如下所示：

获取方法的注解: method.getAnnotations()
获取形参列表：已传过来
获取参数注解和类型：method.getParameterAnnotations() method.getGenericParameterTypes()
获取调用方式：method.getGenericReturnType()后，再调用Type.getRawType() //Call
获取结果类型：method.getGenericReturnType()后，再调用Type.getActualTypeArguments() //List<FooEntitiy>

3、返回结果适配

private Converter<Response, ?> createQueryConverter(Type responseType, Class<?> rawType) {
    Converter<Response, ?> converter = null;
    if (Queryable.class.isAssignableFrom(rawType)) { //返回单个实体对象
        //其他处理逻辑
        converter = new QueryableConverter((Class<? extends Queryable>) responseType);
    } else if (rawType == List.class) { //返回一个实体列表
        //其他处理逻辑
        converter = new ListQueryableConverter((Class<? extends Queryable>) argumentsTypes[0]);
    } else if (rawType == Integer.class) { //兼容 SELECT COUNT(*) FROM table的形式
        converter = new IntegerConverter();
    } else if (rawType == Long.class) {
        converter = new LongConverter();
    }
    return converter;
}

ListQueryableConverter实现，主要是遍历Cursor构建返回结果列表：

static final class ListQueryableConverter implements Converter<Response, List<? extends Queryable>> {

    @Override
    public List<? extends Queryable> convert(Response value) throws IOException {
        List<Queryable> entities = null;
        Cursor cursor = value.getCursor();
        if (cursor != null && cursor.moveToFirst()) {
            entities = new ArrayList<>(cursor.getCount());
            try {
                do {
                    try {
                        //反射创建entitiy对象
                        Queryable queryable = convertClass.newInstance();
                        final boolean convert = queryable.convert(cursor);
                        if (convert) {
                            entities.add(queryable);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } while (cursor.moveToNext());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        /*
         * 避免返回null
         */
        if (entities == null) {
            entities = Collections.emptyList();
        }
        return entities;
    }
}

4、执行增删改查操作

final class RealCall<T> implements Call<T> {

    @Override
    public T execute() {
        /**
         * 实际的增删改查操作
         */
        Response response = perform();

        T value = null;
        try {
            value = mDaoMethod.toResponse(response);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //游标关闭
            if (response != null) {
                Cursor cursor = response.getCursor();
                if (cursor != null) {
                    try {
                        cursor.close();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
            //数据库关闭
            if (mDatabaseHelper != null) {
                try {
                    mDatabaseHelper.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        return value;
    }

    /**
     * 具体数据库操作方法
     * @return
     */
    private Response perform() {
        switch (mDaoMethod.getAction()) {
            case Actions.QUERY: {
                //..
              Cursor cursor = query(String sql);
            }
            case Actions.DELETE: {
               //...
              int count =  delete(simple, sql, tableName, whereClause);
            }
            case Actions.INSERT: {
                //...
            }
            case Actions.UPDATE: {
                //...
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 具体的查询操作
     */
    private Cursor query(String sql) {
        //...

        SQLiteDatabase db = mDatabaseHelper.getWritableDatabase();
        final Cursor cursor = db.rawQuery(sql, null);

        //...
        return cursor;
    }

    /**
     * 具体的删除操作
     */
    private int delete(boolean simple, String sql, String tableName, String whereClause) {

        SQLiteDatabase db = mDatabaseHelper.getWritableDatabase();
        int result = 0;
        try {
            db.beginTransaction();
            //...
            result = db.delete(tableName, whereClause, null);
          
            db.setTransactionSuccessful();
        } finally {
            try {
                db.endTransaction();
            } catch (Throwable t) {
                t.printStackTrace();
            }
        }
        return result;
    }
}

六、性能测试对比

• 测试手机：vivo X23
• 安卓版本：Android 9
• 处理器：骁龙670，2.0GHz，8核
• 测试方法：每个对比项测试5组数据，每组5轮测试，然后取平均值（四舍五入）

说明：

1. 表中第4条测试（查出全部10w条数据）差异较大（相差79ms），其原因是原生接口的Entity对象是直接new出来的，而sponsor内部只能通过Entity的newInstance()接口去反射创建，导致了性能差距，但平均算下来，每newInstance()创建1000个对象才多了1ms，影响还是很小的。（尝试使用Clone的方式优化，但效果仍不明显）
2. sponsor方式性能均略低于原生方式，原因是其需要动态拼凑SQL语句的性能消耗，但消耗极少。

七、在项目（SDK）中的应用实践

该项目内部使用的数据库是一个多库多表的架构，数据库操作（增删改查、建表、升级/降级等）均是调用SQLiteOpenHelper原生接口写的代码逻辑，导致相关操作需要写很多的模板代码才能拿到最终结果，逻辑比较冗长；因此，在重构版本我们使用sponsor替换掉了这些原生调用，以此简化这些繁琐易出错操作。目前运行良好，暂没有发现明显严重问题。

八、扩展知识——泛型的类型擦除

关于类型擦除，感觉很多人都有一些误区，特别是客户端开发平时涉及较少，感觉都不太理解：

根据我们的常识都知道Java的泛型在运行时是类型擦除的，编译后就不会有具体的类型信息了（都是Object或者某个上界类型）。

那么问题来了，既然类型都擦除了，那retrofit又是怎样能在运行时拿到方法泛型参数类型（包括参数类型和返回类型）的呢？比如内部可以根据函数的返回类型将json转为对应bean对象。

起先也很难理解，于是通过查找资料、技术群交流、写demo验证后才基本弄明白，总结为一句话：类型擦除其实只是把泛型的形参擦除了（方便和1.5以下版本兼容），原始的字节码中还是会保留类结构（类、方法、字段）的泛型类型信息，具体保存在Signature区域，可以使用Type的子类接口在运行时获取到泛型的类型信息。

1、retrofit请求接口一般定义如下：

 

可以看到这个函数的返回类型和参数类型都带有泛型参数。

2、反编译这个apk，并用JD-GUI工具打开可以找到对应方法如下：

很多人看到这里会觉得泛型的类型信息确实已经被完全清除了。不过这个工具只是展示了简单的类结构信息（仅包含类、函数、字段）而已，我们可以更进一步看一下该类对应的字节码来确认下，直接使用AS打开apk，展开classes.dex找到对应类，右键->"Show ByteCode"查看：

可以看到在Signature区域保存了这个方法的所有参数信息，其中就有泛型的类型信息。

任何类、接口、构造器方法或字段的声明如果包含了泛型类型，则会生成Signature属性，为它记录泛型签名信息，不过函数内的局部变量泛型信息将不会被记录下来。

3、下面看一下Type接口的继承关系，以及提供的接口功能：

Class：最常见的类型，一个Class类的对象表示虚拟机中的一个类或接口。

ParameterizedType：表示是参数化类型，如：List<String>、Map<Integer,String>这种带有泛型的类型，常用方法有：

1. Type getRawType()——返回参数化类型中的原始类型，例如List<String>的原始类型为List。
2. Type[] getActualTypeArguments()——获取参数化类型的类型变量或是实际类型列表，如Map<Integer, String>的实际泛型列表是Integer和String。

TypeVariable：表示的是类型变量，如List<T>中的T就是类型变量。

GenericArrayType：表示是数组类型且组成元素是ParameterizedType或TypeVariable，例如List<T>或T[]，常用方法有：

1. Type getGenericComponentType()一个方法，它返回数组的组成元素类型。

WildcardType：表示通配符类型，例如? extends Number 和 ? super Integer。常用方法有：

1. Type[] getUpperBounds()——返回类型变量的上边界。
2. Type[] getLowerBounds()——返回类型变量的下边界。

九、参考资料

1. https://github.com/square/retrofit
2. https://cs.android.com/androidx/platform/frameworks/support/+/android-room-release:room/compiler/src/main/kotlin/androidx/room/processor/
3. https://techblog.bozho.net/on-java-generics-and-erasure/
4. https://blog.csdn.net/u011983531/article/details/80295479

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