Netty组件之ByteBuf详解 源码分析

学习了前面的一些netty组件，此篇将讲解最后一个组件ByteBuf，ByteBuf是对Nio的ByteBuffer的一个增强。

1.创建ByteBuf对象

ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();

这是最基本的创建方式，我们也可指定其初始容量和最大容量（可扩容）。

首先概要看看源码，有一个大致的了解：

点进我们上面的buffer方法，源码的关键代码如下

 继续查看AbstractByteBufAllocator子实现抽象类，对应三个buffer方法的重载并判断需要创建直接内存或是堆内存，和NIO的ByteBuffer雷同：

 继续查看分配的一些细节，点入分配的方法，可以看到一些初始值

进入关键方法，newHeaoBuffer方法，如下，是两个抽象方法，我们可以看到下面的两个实现类

2.直接内存vs堆内存

分配两种不同空间的方式如下，底层就是上面看过的源码。其中堆内存的空间分配空间效率较快但是读写效率较高，直接内存相反，如果对Nio不了解的可以看看Nio的零拷贝那一篇。

ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer();ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer();

• 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

如果使用buffer方法默认分配的直接内存

3.池化vs非池化

这里池化的思想和数据库连接池和线程池一个思想，netty的ByteBuf也支持这一种的池化

池化的最大意义在于可以重用 ByteBuf，优点有

• 没有池化、则每次都需要创建新的ByteBuf实例，这个操作对直接内存代价昂贵，就算是堆内存，内存也会，也会增加GC的压力
• 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(默认开启)

• 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

查看源码：

        我们创建ByteBuf时，调用的是该接口的一个成员变量，它是ByteBufUtil类中的类变量，类型依然是ByteBufAllocator

         进入ByteBufUtil找到该静态变量，并查看该类中的静态代码块

 这也就验证了我们可以使用-Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}来设置是否池化ByteBuf，

-D的全称是defintion,就是定义的意思，差不多应该表达的就是用户自定义参数的意思。必须加-D

需要查看当前的ByteBuf是什么类型的，只需要打印该对象的.getClass()查看是哪个类创建的即可，带pooled的即池化，带direct的即分配直接内存。如class UnpooledByteBufAllocator$InstrumentedUnpooledUnsafeNoCleanerDirectByteBuf

4.组成

ByteBuf由四部分组成

 也就是一边写一边读，读到后面前面的数据也就没用了，当写满后还会动态扩容，最大扩容大小可以自己设定，默认为int的最大值。此部分和ByteBuffer的区别显而易见，有两个指针，所以不需要切换读写模式，方便使用。

5.写入

方法名	含义	备注
writeInt(int value)	写入int值	Big Endian，大端写入，即0x250，写入后 00 00 02 50
writeIntLE(int value)	写入int值	Little Endian，小端写入，即0x250，写入后 50 02 00 00
writeBoolean(int value)	写入boolean值	用一字节01|00代表true|false
writeByte(int value)	写入byte值
writeBytes(byte[] src)	写入byte[]
writeBytes(ByteBuf src)	写入netty的ByteBuf
writeBytes(ByteBuffer src)	写入nio的ByteBuf
int writeCharSequence(CharSequence sequence,Charset charset)	写入字符串

• 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

小端存储指从内存的低地址开始，先存储数据的低序字节再存高序字节；相反，大端存储指从内存的低地址开始，先存储数据的高序字节再存储数据的低序字节。

 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

6.扩容

• 如果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 (2^9=512已经不够了)
• 扩容不能超过max capacity会报错

7.读取

和write相对应

 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

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

buf.markReaderIndex();//做一个读标记
buf.resetReaderIndex();//回到标记

除了做标记，还可以通过一个个的索引get()值

8.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
   

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引用计数法接口

• 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
   

源码如下：

 ReferenceCounted接口，具体的实现针对不同的ByteBuf实现

 谁来负责release呢？

我们都知道ByteBuf存在在一个管道里互相传递，当有哪一个handler中不在需要传递该ByteBuf时，就可以销毁了。

想象这么一个情景，我们读取到ByteBuf在h1Hadnler里把该ByteBuf转为了String，h1把String传递给h2，而不是ByteBuf，此时为了能给及时的释放，h1就应该释放此ByteBuf的分配的空间；如果h1把ByteBuf传给h2，h2继续传下去给tail，则已经到尾部，ByteBuf已经没用了，需要由tail释放。

基本规则是，谁是最后使用者，谁负责release，详细分析如下

TailContext分析

找到一个名为TailContext的类，此类就是我们最后的tail节点，如下

 因为它实现了ChannelInboundHandler，所以可以找到它实现的channelRead方法，如下：

深入查看，可以看到

可以看到，如果msg是一个ReferenceCounted实现的话，Tail就会调用该该对象的release方法。 

HeadContext分析

 头结点不仅实现了Inboud还实现了outbound，因为HeadContex也需要做一个收尾动作，Netty 组件 Channel 、Future 、Promise_清风拂来水波不兴的博客-CSDN博客

前面说过write事件是从后往前传递，从tail开始，一直到head，head当然要留意write事件了

9.slice

【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

ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
buf.writeBytes(new byte[]{'a','b','c','d','e','f'});
// slice(int index, int length)从index切length个，返回一个新的ByteBuf对象
ByteBuf slice = buf.slice(0,5);

• 也就是这个新的对象和以前的公用同一段内存，任意一个改了的话其他的也会改；
• 切片后的新ByteBuf容量不能增加，因为增加的话再写数据就乱套了
• 如果切片后的ByteBuf进行了release的话，就不能再使用了，所以一般分片后都会给原始的ByteBuf进行retain，防止被回收，导致切片的使用出异常，但一定要记得release，否则会导致幽灵空间，也就是内存泄漏

10.deplicate

【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

11.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

12.composite

把多个小的ByteBuf组合成一个大的ByteBuf，也没用复制操作，但是却带来了更复杂的维护，因为这只是逻辑上的合并

ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf.writeBytes(new byte[]{1,2,3,4,5});
buf1.writeBytes(new byte[]{6,7,8,9,10});
//创建CompositeByteBuf对象
CompositeByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.compositeBuffer();
//addComponents(boolean increaseWriterIndex,ByteBuf... buffers),布尔值表示组合后读写指针要更新，这是个小小的坑
buffer.addComponents(true,buf, buf1);
System.out.println(buffer);

13.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));

输出