Core Data with CloudKit (一) —— 基础
这是系列文章的第一篇，该Core Data with CloudKit系列主要介绍了如何使用CoreData同步CloudKit的三种数据库类型：私有数据库、公共数据库、共享数据库。如果想获得更好的阅读体验，可以直接访问我的个人博客 www.fatbobman.com[1]
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[2]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WWDC2019年看到这个功能后，我才有了开发【健康笔记】[3]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；SwiftUI及Core 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[4]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 CKContainerNSPersistentContainer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 Target的Signing&Capabilities中创建。•NSPersistentStore vs CKDatabase/CkRecordZoneNSPersistentStore是所有 Core Data 持久存储的抽象基类，支持四种持久化的类型（SQLite、Binary、XML 和 In-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[5]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。在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RecoreZone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_defaultZone的CKRecoreZone。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 SchemaNSManagedObjectModel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Xcode的Data 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Schema。Schema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world、icloud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。在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。在CloudKit上，每条记录被称作为CKRecord。我们不需要关心Managed Object的ID（NSMangedObjectID）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。•CKSubscriptionCloudKit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CloudKit在iCloud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 Target的Signing&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 Modes的Remote 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CKContainer2.根据NSManagedObjectModel配置Schema3.在私有数据库中创建ID为com.apple.coredata.cloudkit.zone的CKRecordZone4.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的NSPersistentStoreRemoteChange通知2.根据NSPersistentStoreRemoteChange的transaction，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.由于视图上下文的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 Data、CloudKit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】[6]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。
引用链接
[1] www.fatbobman.com: http://www.fatbobman.com
[2] Apple Developer Program: https://developer.apple.com/programs/
[3] 【健康笔记】: https://www.fatbobman.com/project/healthnotes/
[4] 持久化历史追踪: https://www.fatbobman.com/posts/persistentHistoryTracking/
[5] 持久化历史追踪: https://www.fatbobman.com/posts/persistentHistoryTracking/
[6] 【健康笔记3】: https://www.fatbobman.com/project/healthnotes/
