微信终端开源数据库 WCDB - Swift 版本

弓明亮

2023-12-01

WCDB 作为微信的终端数据库，从 2017.6 开源至今，共迭代了 5 个版本。我们一直关注开发者们的需求，并不断优化性能，新增如全文搜索等常用的功能。而这其中，呼声最高的莫过于对 Swift 的支持。

WCDB ObjC 版本的实现中，由于引入了 C++ 代码，并不能直接 bridge 到 Swift。因此，我们从 9 月份开始就着手使用原生的 Swift，重写 WCDB。并于 10.10 和 11.8 分别在开发者群内发布了 alpha 和 beta 版进行测试。

今天，终于可以正式发布 WCDB Swift 的第一个正式版本了。

WCDB Swift 约有 1.5w 行代码，使用 Pure Swift 编写，几乎不包含 Cocoa 的代码。且与 ObjC 版保持完全一致的功能。

模型绑定

WCDB Swift 的模型绑定，基于 Swift 4.0 的 Codable 协议实现。通过建立 Swift 类型与数据库表之间的映射关系，使得开发者可以通过类对象直接操作数据库。

//Sample.swift
class Sample: TableCodable {
var identifier: Int? = nil
var description: String? = nil 
var unused: Int? = nil
    enum CodingKeys: String, CodingTableKey {
        typealias Root = Sample
        static let objectRelationalMapping =
TableBinding(CodingKeys.self)
        case identifier
        case description
    }
}

//main.swift
let tableName = "sampleTable" 
try database.create(table: tableName,of: Sample.self)
let object = Sample() 
object.identifier = 1
object.description = "sample_insert"
try database.insert(objects: object, intoTable: tableName)
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语言集成查询

语言集成查询深度结合了 Swift 和 SQL 的语法，使得纯字符串的 SQL 可以以代码的形式表达出来。结合代码提示及纠错，极大地提高开发效率。

同时，由于 Swift 的语法比 Objective-C 更加简洁，并有更强大的范型和类型推导，使得 WCDB 接口不仅更易编写，而且更易读易维护。

let objects: [Sample] = try database.getObjects(fromTable: tableName,
                                                where: Sample.Properties.identifier > 0 && Sample.Properties.description.isNotNull())
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类似 Sample.Properties.identifier > 0 的语法，其返回值并不为 Bool，而是语言集成查询的 Expression 对象，WCDB 会根据这个语句，去进行 SQL 的查询。同时，通过类型的定义，Swift 即可推导出 WCDB 查询的结果为 Sample 类。

语言集成查询同时内建了反注入机制，可以避免第三方从输入框注入 SQL，进行预期之外的恶意操作。

深入 SQLite 源码的性能优化

WCDB 基于 SQLite 开发，我们在之前的文章介绍过其对 SQLite 源码进行的性能优化，以适配移动终端的场景。同样地，这部分优化 Swift 版本也能享受到。

线程安全且并发

WCDB Swift 不仅可以安全地在任意线程进行数据库操作，且其内部会智能地根据操作类型调配资源，使其能够并发执行，进一步提升效率。

加密

基于 SQLCipher 的加密机制，可以为客户端数据安全提供一定程度的保障。

字段升级

数据库模型与类定义绑定，使得字段的增加、删除、修改都与类变量的定义保持一致，不需要开发者额外地管理字段的版本。

class Sample: TableCodable {
var identifier: Int? = nil
var description: String? = nil 
var newColumn: Date? = nil
var unused: Int? = nil
    enum CodingKeys: String, CodingTableKey {
        typealias Root = Sample
        static let objectRelationalMapping =
TableBinding(CodingKeys.self)
        case identifier
        case description
        case newColumn
    }
}

let tableName = "sampleTable" 
try database.create(table: tableName,of: Sample.self)
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模型绑定中新增了 newColumn 字段，该字段也会被自动创建到数据库表中，开发者不需要手动管理。

全文搜索

WCDB Swift 提供简单易用的全文搜索接口，并包含适配多种语言的分词器，使得数据搜索更精准。

损坏修复

内建的修复工具可以在系统错误、磁盘故障等情况下，尽最大限度地将损坏的数据找回并导出。

Pure Swift

模型绑定对语言的依赖性很大。由于 ObjC 其强大的消息转发机制，使得 WCDB 实现起来并没有太大的问题。然而，动态性却恰恰是 Swift 一直为人诟病的地方。

最省事的解决方案就是，直接引入 Cocoa，所有的问题都将不再是问题。然而，这并不是我们所期望的。

理性分析可以得出，一方面，全面的动态化会拖累 Swift 的性能，另一方面，这也会使得 Swift 的原生类型难以享受到模型绑定。

但我们的理由可能更感性一些 --- 情怀。称之为强迫症也好，代码洁癖也罢，Swift with Cocoa 总让人心里有那么一丝别扭。因此，我们决定寻找 Swift 原生的解决方案。

WCDB 的模型绑定对语言有两点依赖：

Accessor。ObjC 版本使用 selector 的 IMP 指针，使得 WCDB 可以获取变量的值，并插入到数据库中，或从数据库中获取数据写入到变量。
数据库字段的映射。ObjC 版本使用宏定义，使得 WCDB 可以通过 className.propertyName 的方式进行语言集成查询的操作。

KeyPath

我们最初盯上的是 Swift 的 KeyPath 的机制，它通过 \ 的语法，可以直接对变量进行读写操作，且语法上也与 className.propertyName 类似。

let sample=Sample()
sample[keyPath: \Sample.identifier] = 1
print(sample[keyPath: \Sample.identifier]) // 输出 1
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一个难题是，KeyPath 在不引入 Cocoa 的情况下，是并不提供 property 的名称，这就无法通过 KeyPath 直接映射数据库的字段。

Swift 也有一个相关的 SR 在讨论这个问题。

显然，我们不可能等待这个特性实现了再去做 WCDB Swift。因此我们尝试使用“不常规”的方法，获取到 KeyPath 对应的 property 名称。

Mirror 是 Swift 里的反射类型，它可以遍历每个变量，获取其名称和值，但不能对变量写入数据。因此我们可以通过 KeyPath 对变量设一个独一无二的特征值，然后再通过 Mirror 遍历变量，导出与特征值相同的 property 名称。

sample[keyPath: \Sample.identifier] = 0x539D7C2 // 不易冲突的特征值
let mirror = Mirror(reflecting: sample)
for child in mirror.children {
    if child.value == 0x539D7C2 {
        print(child.label)
        break
    }
}
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这个“不常规”的用法在大部分情况下能够生效，但对于 class 和 struct 相互嵌套的变量，容易因为内存混乱导致 crash。

Codable

在 KeyPath 的方案不够完善的情况下，我们转投了 Codable 协议。它是 Swift 4.0 新增的特性，本质是编译前根据定义生成代码，以完成序列化和反序列化的任务。

// Swift 官方文档中的 Codable 示例
struct Landmark: Codable {
    var name: String
    var foundingYear: Int
    var location: Coordinate
    var vantagePoints: [Coordinate]
    enum CodingKeys: String, CodingKey {
        case name = "title"
        case foundingYear = "founding_date"
        case location
        case vantagePoints
    }
} 
let data = try JSONEncoder().encode(landmark)
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对应到 WCDB，将数据库的字段读写到变量中，其本质就是一个序列化和反序列化的过程，而 CodingKeys 也可能可以用于语言集成查询中的字段映射。

然而，由于这个特性还很新，还没有太多文档对其进行深入介绍，尤其是自定义 Encoder 和 Decoder 这部分。

所幸的是，Swift 本身就是开源的。因此，我们参考 swift-corelibs-foundation 中的 JSONEncoder 和 JSONDecoder，实现了 TableEncoder 和 TableDecoder，并通过 CodingKeys 的定义，映射数据库中的字段。

最终维护了我们对 Pure Swift 的坚持。

class Sample: TableCodable {
    var identifier: Int? = nil
    var description: String? = nil
    var offset: Int = 0
    var debugDescription: String? = nil
    enum CodingKeys: String, CodingTableKey {
        typealias Root = Sample
        static let objectRelationalMapping =
TableBinding(CodingKeys.self)
        case identifier = "id"
        case description
        case offset = "db_offset"
    }
} 
let sample: Sample = try database.getObject(fromTable: tableName, 
                                            where: Sample.Properties.identifier==1)
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微信也转向 Swift 开发了吗？

相信这会是大家非常关心的问题。然而，很遗憾，目前还没有。不仅微信，国内外大部分 app 都还没有完全转向 Swift，但显然这是个趋势。

Google 在 11 月 fork 了 Swift。

大家犹豫不定的原因都大同小异：ABI 不稳定，需要将二进制打包进去，增大 app 体积；某些方面性能还不够好，而且现在多数是与 ObjC 混编，将进一步拉低性能等等。

而这其中一个很重要的原因就是，Swift 的基础设施还不完善，还难以支撑其大型 app 的开发。而 WCDB Swift 就是这类基础设施之一。

因此，先有 WCDB Swift，未来才有用 Swift 编写微信的可能，这逻辑没毛病。

另一方面，没有微信的上线机制的保护和庞大的用户量的验证，我们需要确保 WCDB Swift 的稳定性。因此，在 WCDB Swift 的第一版本，我们就提供了相对完善的测试用例，用例的代码覆盖率为 91.34%，能够触达绝大部分使用场景。

更多 WCDB Swift 的教程文档、代码样例，包括源码，都直接到 Github 的 Tencent/wcdb 了解。

我们一起期待 Swift 成为开发者的首选的那一天。