モバイル開発におけるデータパーシステンス — 定義、方法、仕組み

データパーシステンスとは

Data Persistenceとは、アプリがデバイスの非ボラタイルメモリにデータを保存できる能力です。モバイル開発において、パーシステンスには、データベース、ファイルシステム、設定、キャッシュが含まれます。それぞれの機構には、パフォーマンス、セキュリティ、容量にそれぞれ特徴があります。

一時データと持続データ

一時データはRAMにのみ存在し、プロセス終了時に失われます。これには、画面状態、一時計算、画像キャッシュが含まれます。持続データは、ファイルシステムやデータベースに書き込まれ、アプリ再開後も利用可能です。これには、ユーザー設定、認証トークン、操作履歴、ダウンロードコンテンツが含まれます。

ストレージ機構選択の基準

ストレージ方法を選択する際、開発者はいくつかの要因を評価します。データの種類が保存構造を決定します：単純な設定はSharedPreferencesやDataStore、構造化された記録はSQLiteやRoom、ファイルはFile Storageです。データ量はパフォーマンスに影響します：データベースは数千の記録にオプティマイズされ、ファイルは大きなバイナリオブジェクトに適しています。セキュリティのためには、EncryptedSharedPreferencesやSQLCipherによる情報暗号化が必要です。

data class StorageOption(
    name: String,
    dataType: StorageType,
    capacity: Long,
    secure: Boolean
)

enum class StorageType {
    KEY_VALUE,
    RELATIONAL,
    FILE
}

SharedPreferencesとDataStore

SharedPreferencesは、Androidでキーバリュー組を保存する古典的な方法です。このAPIはプラットフォームの初期バージョンから利用可能で、基本型（文字列、数値、ブール値）をサポートしています。データはアプリのプライベートディレクトリのXMLファイルに保存され、そのプロセスからのみアクセス可能です。

代替案としてのDataStore

Jetpack DataStoreは、Kotlin CoroutinesとFlowに基づいたSharedPreferencesの現代的な置き換えです。DataStoreには二つのバリエーションがあります：単純な値にPreferences DataStore、型付きオブジェクトにProto DataStoreです。SharedPreferencesとは異なり、DataStoreは並行アクセス下でのデータ一貫性を保証し、メインスレッドをブロックせずに非同期操作をサポートします。

// SharedPreferences — 伝統的な方法
val prefs = context
    .getSharedPreferences("settings", Context.MODE_PRIVATE)
with (prefs.edit()) {
    putString("username", "john_doe")
    putInt("score", 1500)
    apply()
}

// DataStore — 非同期アプローチ
val settingsDataStore = context
    .createDataStore("settings.pb")

val usernameFlow: Flow<String> = settingsDataStore
    .data
    .map { it[USERNAME_KEY] ?: "" }

iOSでは、SharedPreferencesに当たるのがUserDefaultsです：Property List形式の単純な値を保存するシステムです。UserDefaultsは同期アクセスを使用し、少量の設定データに適していますが、機密情報の保存には推奨されません。

モバイルアプリでのSQLite

SQLiteは、独立したサーバーなしにアプリプロセス内で動作する組込み関係データベースです。モバイル開発で最も広く使われているDBMSで、両プラットフォームでデフォルトで使用されています。AndroidはSDKにSQLiteを含み、iOSはlibsqlite3ライブラリに含んでいます。SQLiteは標準SQL、トランザクション、インデックス、トリガーをサポートしています。

テーブル作成とCRUD操作

SQLiteの使用は、データベーススキーマの定義から始まります。開発者はテーブル、フィールド、型を定義し、挿入、読み出し、更新、削除操作を実行します。AndroidのSQLiteOpenHelperがデータベースの作成とマイグレーションを管理する一方、iOSはCインタフェースやFMDBラッパーを使用します。

// AndroidでのSQLiteOpenHelper
class DBHelper(context: Context) :
    SQLiteOpenHelper(context, "app.db", null, 1) {

    override fun onCreate(db: SQLiteDatabase) {
        db.execSQL("""
            CREATE TABLE users (
                id INTEGER PRIMARY KEY,
                name TEXT NOT NULL,
                email TEXT UNIQUE
            )
        """)
    }

    fun insertUser(name: String, email: String) {
        val db = writableDatabase
        val values = ContentValues().apply {
            put("name", name)
            put("email", email)
        }
        db.insert("users", null, values)
    }
}

Room — Android向けORM

Roomは、Jetpackが提供するSQLite上のORMレイヤーを提供するライブラリです。Roomは、SQLクエリやContentValuesのタイピング作業を廃止し、アノテーションやKotlin関数で置き換えます。Roomコンパイラは、ビルド時にDAOの実装を生成し、SQL構文エラーを解消します。

プロジェクトへのRoomの設定

Roomを組み込むには、kapt依存関係を追加し、エンティティクラス、DAOインタフェース、データベースクラスにアノテーションを付与する必要があります。RoomDatabaseがエントリポイントとなり、DAOを取得してデータベース操作を実行します。Roomは、反応的クエリのFlow、スキーママイグレーション、コンパイル時クエリ検証をサポートします。

@Entity(tableName = "users")
data class User(
    @PrimaryKey val id: Int,
    @ColumnInfo(name = "full_name") val name: String,
    @ColumnInfo val email: String
)

@Dao
interface UserDao {
    @Query("SELECT * FROM users")
    fun getAll(): Flow<List<User>>

    @Insert
    suspend fun insert(user: User)

    @Delete
    suspend fun delete(user: User)
}

@Database(
    entities = [User::class],
    version = 1
)
abstract class AppDatabase : RoomDatabase() {
    abstract fun userDao(): UserDao
}

Core Data — iOSフレームワーク

Core Dataは、オブジェクトグラフを管理し、ディスクに保存するAppleのフレームワークです。Roomと異なり、Core Dataはテーブルではなく、関係の階層を形成する管理オブジェクト（NSManagedObject）を扱います。Core Dataは、ゆっくり読み込み、変更の元に戻す、NSFetchRequestによる複雑なクエリをサポートしています。

Core Dataスタック

Core Dataの中核は三つのコンポーネントから成ります：管理オブジェクトコンテキスト（NSManagedObjectContext）、パーシステントストアコーディネータ（NSPersistentStoreCoordinator）、データモデル（NSManagedObjectModel）です。NSPersistentContainerはこれらをひとつのエントリポイントに統合し、現代的なSwiftアプリの設定を簡潔にします。

import CoreData

class PersistenceController {
    static let shared = PersistenceController()
    let container: NSPersistentContainer

    init() {
        container = NSPersistentContainer(name: "AppModel")
        container.loadPersistentStores { _, error in
            if let error = error {
                fatalError("Failed: \(error)")
            }
        }
    }

    func saveUser(name: String, email: String) {
        let context = container.viewContext
        let user = User(context: context)
        user.name = name
        user.email = email

        do {
            try context.save()
        } catch let error {
            print("Save error: \(error)")
        }
    }
}

File Storageは、画像、動画、ドキュメントの保存に使用されます。Androidは内部ストレージ（context.filesDir）—アプリ固有のプライベート空間、および外部ストレージ（Environment.getExternalStorageDirectory）—他のアプリからアクセス可能な空間を提供します。iOSでは、ファイルはDocumentsとLibraryディレクトリに保存され、Library/CachesはiCloudバックアップの対象とならないキャッシュ用です。ファイル操作には、両プラットフォームがFile APIとストリーミング読み書き操作を提供しています。CoilやSDWebImageのような現代的なライブラリは、最適なパフォーマンスのためにファイルストレージとRAMを組み合わせたキャッシングレイヤーを追加します。

AndroidでCore Dataの複雑さと機能に代わるのがRealmです：SQLレイヤーなしに直接モデルを扱うオブジェクトデータベースです。Realmは読み出し操作でSQLiteより高速で、データ変更時にUIを自動更新するライブオブジェクトをサポートしています。