Netty(6)：ByteBuf

ByteBuf的创建

通过ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer()进行创建ByteBuf

        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        System.out.println(buffer);
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 33; i++) {
            sb.append("a");
        }
        buffer.writeBytes(sb.toString().getBytes());
        Log.log(buffer);

Log类：

public abstract class Log {
    public static void log(ByteBuf buffer) {
        int length = buffer.readableBytes();
        int rows = length / 16 + (length % 15 == 0 ? 0 : 1) + 4;
        StringBuilder buf = new StringBuilder(rows * 80 * 2)
                .append("read index:").append(buffer.readerIndex())
                .append(" write index:").append(buffer.writerIndex())
                .append(" capacity:").append(buffer.capacity())
                .append(NEWLINE);
        appendPrettyHexDump(buf, buffer);
        System.out.println(buf.toString());
    }
}

内存模式

直接内存 vs 堆内存

可以使用下面的代码来创建池化基于堆的 ByteBuf

ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(10);

也可以使用下面的代码来创建池化基于直接内存的 ByteBuf

ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);

• 直接内存创建和销毁的代价昂贵，但读写性能高（少一次内存复制），适合配合池化功能一起用
• 直接内存对 GC 压力小，因为这部分内存不受 JVM 垃圾回收的管理，但也要注意及时主动释放

池化

池化 vs 非池化

池化的最大意义在于可以重用 ByteBuf，优点有

• 没有池化，则每次都得创建新的 ByteBuf 实例，这个操作对直接内存代价昂贵，就算是堆内存，也会增加 GC 压力
• 有了池化，则可以重用池中 ByteBuf 实例，并且采用了与 jemalloc 类似的内存分配算法提升分配效率
• 高并发时，池化功能更节约内存，减少内存溢出的可能

池化功能是否开启，可以通过下面的系统环境变量来设置

-Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}

• 4.1 以后，非 Android 平台默认启用池化实现，Android 平台启用非池化实现
• 4.1 之前，池化功能还不成熟，默认是非池化实现

源代码在：ByteBufUtil类

组成

ByteBuf 由四部分组成

最开始读写指针都在 0 位置

写入

方法列表，省略一些不重要的方法

方法签名	含义	备注
writeBoolean(boolean value)	写入 boolean 值	用一字节 01|00 代表 true|false
writeByte(int value)	写入 byte 值
writeShort(int value)	写入 short 值
writeInt(int value)	写入 int 值	Big Endian，即 0x250，写入后 00 00 02 50（先写高位）
writeIntLE(int value)	写入 int 值	Little Endian，即 0x250，写入后 50 02 00 00（先写低位）
writeLong(long value)	写入 long 值
writeChar(int value)	写入 char 值
writeFloat(float value)	写入 float 值
writeDouble(double value)	写入 double 值
writeBytes(ByteBuf src)	写入 netty 的 ByteBuf
writeBytes(byte[] src)	写入 byte[]
writeBytes(ByteBuffer src)	写入 nio 的 ByteBuffer
int writeCharSequence(CharSequence sequence, Charset charset)

注意

• 这些方法的未指明返回值的，其返回值都是 ByteBuf，意味着可以链式调用
• 网络传输，默认习惯是 Big Endian

先写入 4 个字节

buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
log(buffer);

结果是

read index:0 write index:4 capacity:10
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

再写入一个 int 整数，也是 4 个字节

buffer.writeInt(5);
log(buffer);

结果是

read index:0 write index:8 capacity:10
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

还有一类方法是 set 开头的一系列方法，也可以写入数据，但不会改变写指针位置

扩容:

再写入一个 int 整数时，容量不够了（初始容量是 10），这时会引发扩容

buffer.writeInt(6);
log(buffer);

扩容规则是

• 如何写入后数据大小未超过 512，则选择下一个 16 的整数倍，例如写入后大小为 12 ，则扩容后 capacity 是 16
• 如果写入后数据大小超过 512，则选择下一个 2^n，例如写入后大小为 513，则扩容后 capacity 是 2^10=1024（29=512 已经不够了）
• 扩容不能超过 max capacity 会报错

结果是

read index:0 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 00 00 00 06             |............    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

读取

例如读了 4 次，每次一个字节

System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
log(buffer);

读过的内容，就属于废弃部分了，再读只能读那些尚未读取的部分

1
2
3
4
read index:4 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

如果需要重复读取 int 整数 5，怎么办？

可以在 read 前先做个标记 mark

buffer.markReaderIndex();
System.out.println(buffer.readInt());
log(buffer);

结果

5
read index:8 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 06                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这时要重复读取的话，重置到标记位置 reset

buffer.resetReaderIndex();
log(buffer);

这时

read index:4 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

还有种办法是采用 get 开头的一系列方法，这些方法不会改变 read index

retain & release

由于 Netty 中有堆外内存的 ByteBuf 实现，堆外内存最好是手动来释放，而不是等 GC 垃圾回收。

• UnpooledHeapByteBuf 使用的是 JVM 内存，只需等 GC 回收内存即可
• UnpooledDirectByteBuf 使用的就是直接内存了，需要特殊的方法来回收内存
• PooledByteBuf 和它的子类使用了池化机制，需要更复杂的规则来回收内存

回收内存的源码实现，请关注下面方法的不同实现

protected abstract void deallocate()

Netty 这里采用了引用计数法来控制回收内存，每个 ByteBuf 都实现了 ReferenceCounted 接口

• 每个 ByteBuf 对象的初始计数为 1
• 调用 release 方法计数减 1，如果计数为 0，ByteBuf 内存被回收
• 调用 retain 方法计数加 1，表示调用者没用完之前，其它 handler 即使调用了 release 也不会造成回收
• 当计数为 0 时，底层内存会被回收，这时即使 ByteBuf 对象还在，其各个方法均无法正常使用

那么，谁来负责 release 呢？

因为 pipeline 的存在，一般需要将 ByteBuf 传递给下一个 ChannelHandler，如果在 finally 中 release 了，就失去了传递性（当然，如果在这个 ChannelHandler 内这个 ByteBuf 已完成了它的使命，那么便无须再传递）

基本规则是，谁是最后使用者，谁负责 release，详细分析如下：

• 起点，对于 NIO 实现来讲，在 io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read 方法中首次创建 ByteBuf 放入 pipeline（line 163 pipeline.fireChannelRead(byteBuf)）
• 入站 ByteBuf 处理原则
  • 对原始 ByteBuf 不做处理，调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，这时无须 release
  • 将原始 ByteBuf 转换为其它类型的 Java 对象，这时 ByteBuf 就没用了，必须 release
  • 如果不调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，那么也必须 release
  • 注意各种异常，如果 ByteBuf 没有成功传递到下一个 ChannelHandler，必须 release
  • 假设消息一直向后传，那么 TailContext 会负责释放未处理消息（原始的 ByteBuf）
• 出站 ByteBuf 处理原则
  • 出站消息最终都会转为 ByteBuf 输出，一直向前传，由 HeadContext flush 后 release
• 异常处理原则
  • 有时候不清楚 ByteBuf 被引用了多少次，但又必须彻底释放，可以循环调用 release 直到返回 true

TailContext 释放未处理消息逻辑

// io.netty.channel.DefaultChannelPipeline#onUnhandledInboundMessage(java.lang.Object)
protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) {
    try {
        logger.debug(
            "Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline. " +
            "Please check your pipeline configuration.", msg);
    } finally {
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }
}

具体代码

// io.netty.util.ReferenceCountUtil#release(java.lang.Object)
public static boolean release(Object msg) {
    if (msg instanceof ReferenceCounted) {
        return ((ReferenceCounted) msg).release();
    }
    return false;
}

slice（切片）

【零拷贝】的体现之一，对原始 ByteBuf 进行切片成多个 ByteBuf，切片后的 ByteBuf 并没有发生内存复制，还是使用原始 ByteBuf 的内存，切片后的 ByteBuf 维护独立的 read，write 指针

示例：

        ByteBuf byteBuf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
        byteBuf.writeBytes(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j'});
        Log.log(byteBuf);

        //切片过程中，没有发生数据复制
        //从索引0开始切割,长度为5
        ByteBuf bf1 = byteBuf.slice(0, 5);
        ByteBuf bf2 = byteBuf.slice(5, 5);

        Log.log(bf1);
        Log.log(bf2);

那么如何证明切片使用的还是原始 ByteBuf 的内存？

增加如下代码片段：

        byteBuf.setByte(0, 1);
        System.out.println("================================================");
        Log.log(byteBuf);
        Log.log(bf1);
        Log.log(bf2);

duplicate和copy

duplicate

【零拷贝】的体现之一，就好比截取了原始 ByteBuf 所有内容，并且没有 max capacity 的限制，也是与原始 ByteBuf 使用同一块底层内存，只是读写指针是独立的.

copy

会将底层内存数据进行深拷贝，因此无论读写，都与原始 ByteBuf 无关

CompositeByteBuf

【零拷贝】的体现之一，可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf，避免拷贝

有两个 ByteBuf 如下：

        ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
        buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});

        ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
        buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});

现在需要一个新的 ByteBuf，内容来自于刚才的 buf1 和 buf2，如何实现？

代码如下：

        CompositeByteBuf compositeByteBuf = ByteBufAllocator.DEFAULT.compositeBuffer();
        // true 表示增加新的 ByteBuf 自动递增 write index, 否则 write index 会始终为 0
        compositeByteBuf.addComponents(true, buf1, buf2);
        Log.log(compositeByteBuf);

CompositeByteBuf 是一个组合的 ByteBuf，它内部维护了一个 Component 数组，每个 Component 管理一个 ByteBuf，记录了这个 ByteBuf 相对于整体偏移量等信息，代表着整体中某一段的数据。

• 优点，对外是一个虚拟视图，组合这些 ByteBuf 不会产生内存复制
• 缺点，复杂了很多，多次操作会带来性能的损耗

Unpooled

Unpooled 是一个工具类，类如其名，提供了非池化的 ByteBuf 创建、组合、复制等操作

这里仅介绍其跟【零拷贝】相关的 wrappedBuffer 方法，可以用来包装 ByteBuf：

ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});
ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});

// 当包装 ByteBuf 个数超过一个时, 底层使用了 CompositeByteBuf
ByteBuf buf3 = Unpooled.wrappedBuffer(buf1, buf2);
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf3));

也可以用来包装普通字节数组，底层也不会有拷贝操作:

        ByteBuf buf4 = Unpooled.wrappedBuffer(new byte[]{1, 2, 3}, new byte[]{4, 5, 6});
        System.out.println(buf4.getClass());
        System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf4));

ByteBuf 优势

• 池化 - 可以重用池中 ByteBuf 实例，更节约内存，减少内存溢出的可能
• 读写指针分离，不需要像 ByteBuffer 一样切换读写模式
• 可以自动扩容
• 支持链式调用，使用更流畅
• 很多地方体现零拷贝，例如 slice、duplicate、CompositeByteBuf