Core Data with CloudKit (一) —— 基础

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在 WWDC 2019 上,苹果为 Core Data 带了一项重大的更新——引入了 NSPersistentCloudKitContainer。这意味着无需编写大量代码,使用 Core Data with CloudKit 可以让用户在他所有的苹果设备上无缝访问应用程序中的数据。

Core Data 为开发具有结构化数据的应用程序提供了强大的对象图管理功能。CloudKit 允许用户在登录其 iCloud 账户的每台设备上访问他们的数据,同时提供一个始终可用的备份服务。Core Data with CloudKit 则结合了本地持久化+云备份和网络分发的优点。

2020 年、2021 年,苹果持续对 Core Data with CloudKit 进行了强化,在最初仅支持私有数据库同步的基础上,添加了公有数据库同步以及共享数据库同步的功能。

我将通过几篇博文介绍 Core Data with CloudKit 的用法、调试技巧、控制台设置并尝试更深入地研究其同步机制。

Core Data with CloudKit 的局限性

  • 只能运行在苹果的生态

    不同于其他的跨平台解决方案,Core Data with CloudKit 只能运行于苹果生态中,并且只能为苹果生态的用户提供服务。

  • 测试门槛较高

    需要有一个 Apple Developer Program 账号才能在开发过程中访问 CloudKit 服务和开发团队的 CKContainer。另外,在模拟器上的运行效果也远没有在真机上可靠。

Core Data with CloudKit 的优点

  • 几乎免费

    开发者基本上不需要为网络服务再额外支付费用。私有数据库保存在用户个人的 iCloud 空间中,公共数据库的容量会随着应用程序使用者的增加而自动提高,最高可增加到 1 PB 存储、10 TB 数据库存储,以及每天 200 TB 流量。之所以说几乎免费,毕竟苹果会扣取 15-30%的 app 收益。

  • 安全

    一方面苹果通过沙盒容器、数据库区隔、加密字段、鉴权等多种技术手段保证了用户的数据安全。另一方面,鉴于苹果长期以来在用户中树立的隐私捍卫者的形象,使用 Core Dat with CloudKit 可以让用户对你的应用程序增加更多的信任。

    事实上,正是在 WWDC 2019 年看到这个功能后,我才有了开发 【健康笔记】 的原动力——既保证数据隐私又能长久的保存数据。

  • 集成度高、用户感知好

    鉴权、分发等都是无感的。用户不需要进行任何额外的登录便可享受全部的功能。

Core Data

Core Data 诞生于 2005 年,它的前身 EOF 在 1994 年便已经获得的不少用户的认可。经过了多年的演进,Core Data 已经发展的相当成熟。作为对象图和持久化框架,几乎每个教程都会告诉你,不要把它当作数据库,也不要把它当作 ORM

Core Data 的功能包括但不限于:管理序列化版本、管理对象生命周期、对象图管理、SQL 隔离、处理变更、持久化数据、数据内存优化以及数据查询等。

Core Data 提供的功能繁多,但对于初学者并不十分友好,拥有陡峭的学习曲线。最近几年苹果也注意到了这个问题,通过添加 PersistentContainer 极大的降低了 Stack 创建的难度;SwiftUICore Data 模版 的出现让初学者也可以较轻松地在项目中使用其强大的功能了。

CloudKit

在苹果推出 iCloud 之后的几年中,开发者都无法将自己的应用程序同 iCloud 结合起来。这个问题直到 2014 年苹果推出了 CloudKit 框架后才得到解决。

CloudKit 是数据库、文件存储、用户认证系统的集合服务,提供了在应用程序和 iCloud 容器 之间的移动数据接口。用户可以在多个设备上访问保存在 iCloud 上的数据。

CloudKit 的数据类型、内在逻辑和 Core Data 有很大的不同,需要做一些妥协或处理才能将两者的数据对象进行转换。事实上,当 CloudKit 一经推出,开发者就强烈希望两者之间能够进行便捷的转换。在推出 Core Data with CloudKit 之前,已经有第三方的开发者提供了将 Core Data 或其他数据的对象(比如 realm)同步到 CloudKit 的解决方案,这些方案中的大多数目前仍在提供支持。

依赖于之前推出的 持久化历史追踪 功能,苹果终于在 2019 年提供了自己的解决方案 Core Data with CloudKit

Core Data 对象 vs CloudKit 对象

两个框架都有各自的基础对象类型,相互之间并不能被一一对应。在此仅对本文涉及的一些基础对象类型做简单的介绍和比较:

  • NSPersistentContainer vs CKContainer

    NSPersistentContainer 通过处理托管对象模型(NSManagedObjectModel),对持久性协调器(NSPersistentStoreCoordinator)和托管对象上下文(NSManagedObjectContext)进行统一的创建和管理。开发者通过代码创建其的实例。

    CKContainer 则和应用程序的沙盒逻辑类似,在其中可以保存结构化数据、文件等多种资源。每个使用 CloudKit 的应用程序应有一个属于自己的 CKContainer(通过配置,一个应用程序可以对应多个 CKContainer,一个 CKContainer 也可以服务于多个应用程序)。开发者通常不会在代码中直接创建新的 CKConttainer,一般通过 iCoud 控制台 或在 Xcode TargetSigning&Capabilities 中创建。

  • NSPersistentStore vs CKDatabase/CkRecordZone

    NSPersistentStore 是所有 Core Data 持久存储的抽象基类,支持四种持久化的类型(SQLiteBinaryXMLIn-Memory)。在一个 NSPersistentContainer 中,通过声明多个的 NSPersistentStoreDescription,可以持有多个 NSPersistentStore 实例(可以是不同的类型)。NSPersistentStore 没有用户鉴权的概念,但可以设置只读或读写两种模式。由于 Core Data with CloudKit 需要 持久化历史追踪 的支持,因此只能同步将 SQLite 作为存储类型的 NSPersistentStore,在设备上,该 NSPersistentStore 的实例 将指向一个 SQLite 数据库文件

    CloudKit 上,结构化的数据存储只有一种类型,但采用了两个维度对数据进行了区分。

    从用户鉴权角度,CKDatabase 分别提供了三种形式的数据库:私有数据库、公有数据库、共享数据库。应用程序的使用者(已经登录了 iCloud 账号)只能访问自己的私有数据库,该数据库的数据保存在用户个人的 iCloud 空间中,其他人都不可以对其数据进行操作。在公共数据库中保存的数据可以被任何授权过的应用程序调用,即使 app 的使用者没有登录 iCloud 账户,应用程序仍然可以读取其中的内容。应用程序的使用者,可以将部分数据共享给其他的同一个 app 的使用者,共享的数据将被放置在共享数据库中,共享者可以设置其他用户对于数据的读写权限。

    数据在 CKDatabase 中也不是以零散的方式放置在一起的,它们被放置在指定的 RecordZone 中。我们可以在私有数据库中创建任意多的 Zone(公共数据库和共享数据库只支持默认 Zone)。当 CKContainer 被创建后,每种数据库中都会默认生成一个名为 _defaultZoneCKRecordZone

    因此,当我们保存数据到 CloudKit 数据库时,不仅需要指明数据库(私有、公有、共享)类型,同时也需要标明具体的 zoneID(当保存到 _defaultZone 时无需标记)。

  • NSManagedObjectModel vs Schema

    NSManagedObjectModel 是托管对象模型,标示着 Core Data 对应的数据实体(Enities)。绝大多数情况下,开发者都是使用 XcodeData Model Editor 来对其进行的定义,定义会被保存在 xcdatamodeled 文件中,其中包含了实体属性、关系、索引、约束、校验、配置等等信息。

    当在应用程序中启用 CloudKit 后,将在 CKContainer 创建一个 SchemaSchema 中包括记录类型(Record Type)、记录类型类型之间可能存在的关系、索引以及用户权限。

    除了直接在 iCloud 控制台创建 Schema 的内容外,也可以通过在代码中创建 CKRecord,让 CloudKit 自动为我们创建或更新 Schema 中对应的内容。

    Schema 中有权限的设定(Security Roles),可以分别为 worldicloud 以及 creator 设定不同的读写权限。

  • Entities vs Record Types

    尽管我们通常会强调 Core Data 不是数据库,但实体(Enitities)与数据库中的表非常相似。我们在实体中描述对象,包括其名称、属性和关系。最终将其描述成 NSEntityDescription 并汇总到 NSManagedObjectModel 中。

    CloudKit 中用 Record Types 描述数据对象的名称、属性。

    Enitiy 中有大量的信息可以配置,但 Record Types 只能对应描述其中的一部分。由于两方无法一一对应,因此在设计 Core Data with CloudKit 的数据对象时要遵守相关规定(具体规定将在下一篇文章中探讨)。

  • Managed Object vs CKRecord

    托管对象(Managed Object)是表示持久存储记录的模型对象。托管对象是 NSManagedObject 或其子类的实例。托管对象在托管对象上下文(NSManagedObjectContext)中注册。在任何给定的上下文中,托管对象最多有一个实例对应于持久存储中的给定记录。

    CloudKit 上,每条记录被称作为 CKRecord

    我们不需要关心 Managed ObjectIDNSMangedObjectID)的创建过程,Core Data 将为我们处理一切,但对于 CKRecord,多数情况下,我们需要在代码中明确为每条记录设定 CKRecordIdentifier。作为 CKRecord 的唯一标识,CKRecordIdentifier 被用于确定该 CKRecord 在数据库的唯一位置。如果数据保存在自定义的 CKRecordZone,我们也需要在 CKRecord.ID 中指明。

  • CKSubscription

    CloudKit 是云端服务,它要同一 iCloud 账户的不同设备(私有数据库)或者使用不同 iCloud 账号的设备(公共数据库)的数据变化做出相应的反馈。

    开发者通过 CloudKitiCloud 上创建 CKSubscription, 当 CKContainer 中的数据发生变化时,云端服务器会检查该变化是否满足某个 CKSubscription 的触发条件,在条件满足时,对订阅的设备发送远程提醒(Remote Notification)。这就是当我们在 Xcode TargetSigning&Capabilities 中添加上 CloudKit 功能时,会 Xcode 自动添加 Remote Notification 的原因。

    在实际使用中,需要通过 CKSubscription 的三个子类完成不同的订阅任务:

    CKQuerySubscription,当某个 CKRecord 满足设定的 NSPercidate 时推送 Notification

    CKDatabaseSubscription,订阅并跟踪数据库(CKDatabase)中记录的创建、修改和删除。该订阅只能用于私有数据库和共享数据库中自定义的 CKRecordZone,并只会通知 订阅的创建者。在以后的文章中,我们可以看到 Core Data with CloudKit 是如何在私有库中使用该订阅的。

    CKRecordZoneNotification,当用户、或者在某些情况下,CloudKit 修改该区域(CKRecordZone)的记录时,记录区的订阅就会执行,例如,当记录中某个字段的值发生变化时。

    对于 iCloud 服务器推送的远程通知,应用程序需要在 Application Delegate 中做出响应。多数情况下,远程提醒 可以采用 静默通知 的形式,为此开发者需要在的应用程序中启用 Backgroud ModesRemote notifications

Core Data with CloudKit 的实现猜想

结合上面介绍的基础知识,让我们尝试推测一下 Core Data with CloudKit 的实现过程。

以私有数据库同步为例:

  • 初始化:

    1. 创建 CKContainer
    2. 根据 NSManagedObjectModel 配置 Schema
    3. 在私有数据库中创建 ID 为 com.apple.coredata.cloudkit.zoneCKRecordZone
    4. 在私有数据库上创建 CKDatabaseSubscription
  • 数据导出(将本地 Core Data 数据导出到云端)

    1. NSPersistentCloudKitContainer 创建后台任务响应 持久化历史跟踪NSPersistentStoreRemoteChange 通知
    2. 根据 NSPersistentStoreRemoteChangetransaction,将 Core Data 的操作转换成 CloudKit 的操作。比如对于新增数据,将 NSManagedObject 实例转换成 CKRecord 实例。
    3. 通过 CloudKit 将转换后的 CKRecord 或其他 CloudKit 操作 传递给 iCloud 服务器
  • 服务器端

    1. 按顺序处理从远端设备提交的 CloudKit 操作数据
    2. 根据初始化创建的 CKDatabaseSubscription 检查该操作是否导致私有数据库的 com.apple.coredata.cloudkit.zone 中的数据发生变化
    3. 对所有创建 CKDatabaseSubscription 订阅的设备(同一 iCloud 账户)分发远程通知
  • 数据导入(将远程数据同步到本地)

    1. NSPersistentCloudKitContainer 创建的后台任务响应云端的 静默推送
    2. 向云端发送刷新操作要求并附上上次操作的 令牌
    3. 云端根据每个设备的 令牌,为其返回自上次刷新后数据库发生的变化
    4. 将远端数据转换成本地数据(删除、更新、添加等)
    5. 由于 视图上下文automaticallyMergesChangesFromParen 属性设置为真,本地数据的变化将自动在 视图上下文 中体现出来

上述步骤中省略了所有技术难点及细节,仅描述了大概的流程。

总结

本文中,我们简单介绍了关于 Core DataCloudKit 以及 Core Data with CloudKit 的一点基础知识。在下一篇文章中我们将探讨如何使用 Core Data with CloudKit 实现本地数据库和私有数据库的同步

PS:介绍如何使用 NSPersistentContainer 的文章并不少,但同其他 Core Data 的功能一样,用好并不容易。在两年多的使用中,我便碰到不少问题。借着今年打算在 【健康笔记 3】 中实现 共享数据库 功能的机会,我最近较系统地重新学习了 Core Data with CloudKit 并对其知识点进行了梳理。希望通过这个系列博文能让更多的开发者了解并使用 Core Data with Cloudkit 功能。

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