本文由微信客戶端技術(shù)團隊工程師“Jon”分享，原題“Windows微信：消息數(shù)據(jù)庫架構(gòu)演進”，有較多修訂。

1、引言

本文分享的是，微信客戶端團隊基于對微信用戶日常使用場景和數(shù)據(jù)分析，通過分離重要和非重要數(shù)據(jù)、采用可靠的分庫策略等，對微信Windows端IM本地數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)進行的優(yōu)化和改造，并最終得到一個具備良好實踐效果的技術(shù)改造方案。

 

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學(xué)習(xí)交流：

（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4034-1-1.html）

2、背景說明

微信的Windows客戶端自2014年上線以來，用戶數(shù)穩(wěn)步增長。隨著時間的不斷推移，很多用戶本地積攢的消息量越來越大。

最初的本地IM數(shù)據(jù)庫設(shè)計秉著遵循“簡單易用、方便管理”的原則，把用戶收到的所有消息都統(tǒng)一存放在用戶當(dāng)前客戶端本地的“同一個SQLite數(shù)據(jù)文件中”。

(作者注：微信不會保存聊天記錄，聊天內(nèi)容只存儲在用戶手機、電腦等終端設(shè)備上。)

3、當(dāng)前問題

由于初期這套本地數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案的短板，隨著目前微信使用越來越廣泛、消息堆積越來越多，從而逐漸暴露出了許多技術(shù)問題。

3.1 問題1：數(shù)據(jù)查詢慢

隨著使用時間的推移，數(shù)據(jù)也逐漸增多，當(dāng)數(shù)據(jù)量越來越龐大：

• 1）數(shù)據(jù)庫的查詢和插入效率會受到影響；
• 2）即使消息數(shù)據(jù)庫存在索引，索引的查詢效率也隨之下降。

從文件系統(tǒng)的角度，數(shù)據(jù)庫文件是逐頁增長的。因為長時間的使用微信會使得消息量的逐步累積，讓數(shù)據(jù)庫體積逐漸增長，也會導(dǎo)致碎片化更嚴(yán)重，這在機械硬盤下，也會進一步影響讀寫效率。

對用戶最直觀的影響就是——切換聊天變得很卡，這個問題對于重度用戶尤甚，甚至?xí)霈F(xiàn)點擊聊天就卡頓的情況。

3.2 問題2：存儲文件大

隨著時間的推移，消息量的逐步累積，數(shù)據(jù)庫存儲文件的體積也是越來越大，顯著占用用戶存儲空間。

3.3 問題3：磁盤文件損壞

磁盤文件意外損壞也有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

因為所有消息都放到一個數(shù)據(jù)庫文件，就類似把所有雞蛋放在一個籃子。

數(shù)據(jù)庫文件也可能會因為存儲壞道、電腦意外斷電、sqlite自身bug等原因?qū)е聰?shù)據(jù)庫文件發(fā)生損壞。如果發(fā)生損壞時，有可能導(dǎo)致用戶丟失消息數(shù)據(jù)。即使有DB恢復(fù)機制，也無法保證能恢復(fù)出所有歷史記錄。

當(dāng)這種情況發(fā)生時，對用戶影響十分大，因為聊天記錄可能沒了！

PS：微信移動端也有類似困擾，有興趣可以閱讀《微信客戶端SQLite數(shù)據(jù)庫損壞修復(fù)實踐》。

4、原因分析

4.1 概述

上述數(shù)據(jù)庫存儲文件變大和查詢變慢的問題，都是由于消息數(shù)據(jù)的不斷增多引起。

但消息數(shù)的增長是無法避免的，那么有沒有辦法控制增長速度，并且控制數(shù)據(jù)庫的大小？

我們從兩個方向進行分析：消息情況、日常使用場景

4.2 分析1：消息情況

微信里的IM消息可分為三大類：

• 1）單人聊天消息；
• 2）群聊消息；
• 3）以及訂閱號/服務(wù)號消息（統(tǒng)稱為公眾號消息）。

按消息的重要性來說：

• 1）單聊/群聊消息：這是用戶的私人消息，被刪除或者丟失無法恢復(fù)，對用戶損失最大；
• 2）公眾號的消息：因為只要關(guān)注了公眾號，都可以拉取閱讀，屬于公共消息，所以對用戶來說重要性稍低。

按消息的大小來說：

• 1）基于對測試帳號的消息大小數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)：占總條數(shù)比例不高的公眾號消息，占用了超過一半的數(shù)據(jù)庫空間；
• 2）經(jīng)過對測試帳號消息類型的分析：網(wǎng)頁卡片類消息是公眾號消息的主要類型，其平均消息體大小是文本消息的幾十倍。

4.3 分析2：日常應(yīng)用場景分析

眾所周知，我們?nèi)粘Ｊ褂梦⑿牛际鞘瞻l(fā)消息，或者瀏覽最近的消息。對于更早的消息，我們一般很少會主動去瀏覽。

越早的消息，瀏覽的概率越低。

所以：在大多數(shù)場景下，我們要讓最常訪問的消息，不受老數(shù)據(jù)的影響。

5、解決方案

5.1 概述

針對前述問題并結(jié)合上述分析，我們從以下方面對微信Windows端本地SQLite數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)進行了演進和優(yōu)化。

涉及的主要優(yōu)化內(nèi)容和手段有：

• 1）分庫改造；
• 2）建立消息索引；
• 3）消息體積優(yōu)化；
• 4）提高數(shù)據(jù)庫健壯性。

下面我們將逐一詳細(xì)介紹。

5.2 分庫改造

基于以上分析，首先把公眾號消息劃分出去，存到單獨的一個數(shù)據(jù)庫，跟用戶的普通消息隔離，同時也可以大幅減少普通消息數(shù)據(jù)庫的體積。

基于日常使用場景的分析，大部分老數(shù)據(jù)讀取的頻率很低，所以應(yīng)該提高最近一段時間的讀寫效率。

對于上述這種情況，我們采取了以時間和空間動態(tài)劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫的方案。初始默認(rèn)值是每個數(shù)據(jù)庫存放半年的消息，超過時間之后新建一個數(shù)據(jù)庫存放。對于大部分使用場景，我們只需要讀寫最新的數(shù)據(jù)庫就可以滿足需求，如果需要瀏覽更早的消息，可以再打開之前的數(shù)據(jù)庫進行讀取。

除了時間維度，我們還考慮了空間維度的劃分：如果半年內(nèi)消息普通消息規(guī)模超過閾值，也會新建一個數(shù)據(jù)庫進行存儲，讓每個數(shù)據(jù)庫大小和數(shù)據(jù)規(guī)模不至于太大，能提升最近一段時間消息的讀寫效率。

5.3 建立消息索引

對于最廣泛的使用場景——查看每一個聊天的消息，這種場景需要對每一個聊天會話建立一個索引。

這里的索引方案我們參考了安卓端：即將每一個聊天轉(zhuǎn)換成一個數(shù)值型的ID，從而減少每條索引的長度，提高索引的讀寫效率。（關(guān)于微信的移動端SQLite完整數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可以參考：《微信本地數(shù)據(jù)庫破解版(含iOS、Android)，僅供學(xué)習(xí)研究 [附件下載]》）

除此之外，我們還對一些經(jīng)常訪問的內(nèi)容，單獨提取成為一個字段，并且增加索引。比如消息的子類型（這個在老數(shù)據(jù)庫中是一個序列化字段），它沒有索引，但這個字段經(jīng)常需要用到，所以單獨提出成為一列，并且加上索引，為消息按類型查找提供方便。

5.4 消息體積優(yōu)化

IM中消息顯然總是會越來越多的，但如何能夠在不影響讀寫效率的同時，減少/壓縮消息數(shù)據(jù)的體積，也是我們的優(yōu)化方向。

從上面的數(shù)據(jù)看，部分消息體積較大，已經(jīng)超過了數(shù)據(jù)庫每頁的大小（Page Size）。

數(shù)據(jù)庫是按頁存儲數(shù)據(jù)的，Page Size是數(shù)據(jù)庫一頁能夠容納的數(shù)據(jù)。如果一條數(shù)據(jù)，一個頁放不下，就需要用到溢出頁，把多出來放不下的數(shù)據(jù)放到溢出頁中，溢出頁可以有多個。

這時候，如果讀取這條數(shù)據(jù)，就需要把溢出頁也全部讀出來，會增加IO的消耗。

如果壓縮數(shù)據(jù)，能夠把消息體壓縮到一個頁能放得下，減少溢出頁的使用，是可以增加IO性能的。

SQLite數(shù)據(jù)庫溢出頁結(jié)構(gòu)：

(上圖引用自書籍《The Definitive Guide to SQLite》第308頁)

PS：《The Definitive Guide to SQLite》這本書的電子版我也給你找到了，請從下面附件處下載：

 The Definitive Guide to SQLite (2nd edition, 2010)-52im.net.pdf.zip (3.61 MB)

但是壓縮需要占用CPU資源，這里選擇一種能夠平衡性能和壓縮率的算法是關(guān)鍵。

經(jīng)過對比壓縮算法的Benchmark，并且對消息體壓縮性進行實測，最終選擇了一個高性能壓縮算法：lz4。

經(jīng)過對測試帳號的數(shù)據(jù)分析，不同類型的消息體大小差異較大。

一般來說：文本消息的長度不會特別大，但是網(wǎng)頁卡片類型的消息，體積會較大。由于不同的消息長度，獲得的壓縮率不一樣，太短的文本長度，壓縮起來并沒有意義。

所以經(jīng)過消息體長度、壓縮、，壓縮性能的分析，最終確定對網(wǎng)頁卡片等進行壓縮，在較低性能消耗的前提下，綜合壓縮率可達到40%，減少了IO次數(shù) 。

5.5 提高健壯性

如果數(shù)據(jù)庫文件由于外部原因發(fā)生損壞，則會對體驗造成較大影響。降低損壞率和減少損壞帶來的數(shù)據(jù)損失，也是我們改進的方向。

按照時間維度劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫之后，相當(dāng)于把消息按時間分散存儲。最新的數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)讀寫最近的消息，其余的數(shù)據(jù)庫只需要根據(jù)需求支持瀏覽查看消息。

對于老數(shù)據(jù)庫而言：可以做到按需加載，從而減少了對數(shù)據(jù)庫的讀寫，也減少了這些數(shù)據(jù)庫損壞的幾率。一旦有數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)損壞，即使無法恢復(fù)，也不會所有消息全部丟失，只會丟失該數(shù)據(jù)庫對應(yīng)時間段的消息，這也可以減少部分?jǐn)?shù)據(jù)庫損壞帶來的損失。

在早期使用的單數(shù)據(jù)庫架構(gòu)中，由于數(shù)據(jù)會越攢越多，數(shù)據(jù)庫體積會持續(xù)變大，很難去做備份。分庫之后，每個數(shù)據(jù)庫體積變小，因而數(shù)據(jù)庫備份變得更為可行。因為最新的數(shù)據(jù)庫存在頻繁的消息讀寫，發(fā)生損壞的概率遠(yuǎn)高于老數(shù)據(jù)庫，所以這里對最新的一個數(shù)據(jù)庫做定期的備份。

默認(rèn)配置下，我們每間隔一段時間會對最新的數(shù)據(jù)庫進行一次備份，該備份是最新的一個數(shù)據(jù)庫的完整拷貝。若最新的數(shù)據(jù)庫在讀寫時發(fā)生損壞，會先嘗試從備份數(shù)據(jù)恢復(fù)。若恢復(fù)成功，則最多丟失從備份到恢復(fù)這段時間的數(shù)據(jù)，進一步降低損壞造成的損失。

6、優(yōu)化對比

經(jīng)過對比，對于一個在測試帳號中原始的消息數(shù)據(jù)庫，壓縮后大小可以減少接近一半，同時溢出頁數(shù)和需要使用溢出頁的記錄數(shù)減少也超過一半。

對于讀寫性能，對比壓縮前，壓縮后的讀取和解壓縮性能比之前有接近10%的提升。

7、未來展望

后續(xù)我們微信客戶端團隊將繼續(xù)研究數(shù)據(jù)庫修復(fù)相關(guān)的實踐，持續(xù)關(guān)注數(shù)據(jù)庫相關(guān)的性能數(shù)據(jù)，提升可靠性，打造更好的用戶體驗！

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22. 《阿里IM技術(shù)分享(七)：閑魚IM的在線、離線聊天數(shù)據(jù)同步機制優(yōu)化實踐》
23. 《阿里IM技術(shù)分享(八)：深度解密釘釘即時消息服務(wù)DTIM的技術(shù)設(shè)計》

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