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learn.lianglianglee.com/专栏/Netty 核心原理剖析与 RPC 实践-完/11 另起炉灶：Netty 数据传输载体 ByteBuf 详解.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>11 另起炉灶：Netty 数据传输载体 ByteBuf 详解</h1>
<p>在学习编解码章节的过程中，我们看到 Netty 大量使用了自己实现的 ByteBuf 工具类，ByteBuf 是 Netty 的数据容器，所有网络通信中字节流的传输都是通过 ByteBuf 完成的。然而 JDK NIO 包中已经提供了类似的 ByteBuffer 类，为什么 Netty 还要去重复造轮子呢？本节课我会详细地讲解 ByteBuf。</p>
<h3>为什么选择 ByteBuf</h3>
<p>我们首先介绍下 JDK NIO 的 ByteBuffer，才能知道 ByteBuffer 有哪些缺陷和痛点。下图展示了 ByteBuffer 的内部结构：</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-3ukmAImo_AAJEEbA2rts301.png" alt="Netty11" /></p>
<p>从图中可知，ByteBuffer 包含以下四个基本属性：</p>
<ul>
<li>mark：为某个读取过的关键位置做标记，方便回退到该位置；</li>
<li>position：当前读取的位置；</li>
<li>limit：buffer 中有效的数据长度大小；</li>
<li>capacity：初始化时的空间容量。</li>
</ul>
<p>以上<strong>四个基本属性</strong>的关系是：<strong>mark &lt;= position &lt;= limit &lt;= capacity</strong>。结合 ByteBuffer 的基本属性，不难理解它在使用上的一些缺陷。</p>
<p>第一，ByteBuffer 分配的长度是固定的，无法动态扩缩容，所以很难控制需要分配多大的容量。如果分配太大容量，容易造成内存浪费；如果分配太小，存放太大的数据会抛出 BufferOverflowException 异常。在使用 ByteBuffer 时，为了避免容量不足问题，你必须每次在存放数据的时候对容量大小做校验，如果超出 ByteBuffer 最大容量，那么需要重新开辟一个更大容量的 ByteBuffer，将已有的数据迁移过去。整个过程相对烦琐，对开发者而言是非常不友好的。</p>
<p>第二，ByteBuffer 只能通过 position 获取当前可操作的位置，因为读写共用的 position 指针，所以需要频繁调用 flip、rewind 方法切换读写状态，开发者必须很小心处理 ByteBuffer 的数据读写，稍不留意就会出错。</p>
<p>ByteBuffer 作为网络通信中高频使用的数据载体，显然不能够满足 Netty 的需求，Netty 重新实现了一个性能更高、易用性更强的 ByteBuf，相比于 ByteBuffer 它提供了很多非常酷的特性：</p>
<ul>
<li>容量可以按需动态扩展，类似于 StringBuffer；</li>
<li>读写采用了不同的指针，读写模式可以随意切换，不需要调用 flip 方法；</li>
<li>通过内置的复合缓冲类型可以实现零拷贝；</li>
<li>支持引用计数；</li>
<li>支持缓存池。</li>
</ul>
<p>这里我们只是对 ByteBuf 有一个简单的了解，接下来我们就一起看下 ByteBuf 是如何实现的吧。</p>
<h3>ByteBuf 内部结构</h3>
<p>同样我们看下 ByteBuf 的内部结构，与 ByteBuffer 做一个对比。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl-3uraAAhvwAASZGuNRMtA960.png" alt="Netty11（2）.png" /></p>
<p>从图中可以看出，ByteBuf 包含三个指针：<strong>读指针 readerIndex</strong>、<strong>写指针 writeIndex</strong>、<strong>最大容量 maxCapacity</strong>，根据指针的位置又可以将 ByteBuf 内部结构可以分为四个部分：</p>
<p>第一部分是<strong>废弃字节</strong>，表示已经丢弃的无效字节数据。</p>
<p>第二部分是<strong>可读字节</strong>，表示 ByteBuf 中可以被读取的字节内容，可以通过 writeIndex - readerIndex 计算得出。从 ByteBuf 读取 N 个字节，readerIndex 就会自增 N，readerIndex 不会大于 writeIndex，当 readerIndex == writeIndex 时，表示 ByteBuf 已经不可读。</p>
<p>第三部分是<strong>可写字节</strong>，向 ByteBuf 中写入数据都会存储到可写字节区域。向 ByteBuf 写入 N 字节数据，writeIndex 就会自增 N，当 writeIndex 超过 capacity，表示 ByteBuf 容量不足，需要扩容。</p>
<p>第四部分是<strong>可扩容字节</strong>，表示 ByteBuf 最多还可以扩容多少字节，当 writeIndex 超过 capacity 时，会触发 ByteBuf 扩容，最多扩容到 maxCapacity 为止，超过 maxCapacity 再写入就会出错。</p>
<p>由此可见，Netty 重新设计的 ByteBuf 有效地区分了可读、可写以及可扩容数据，解决了 ByteBuffer 无法扩容以及读写模式切换烦琐的缺陷。接下来，我们一起学习下 ByteBuf 的核心 API，你可以把它当作 ByteBuffer 的替代品单独使用。</p>
<h3>引用计数</h3>
<p>ByteBuf 是基于引用计数设计的，它实现了 ReferenceCounted 接口，ByteBuf 的生命周期是由引用计数所管理。只要引用计数大于 0，表示 ByteBuf 还在被使用；当 ByteBuf 不再被其他对象所引用时，引用计数为 0，那么代表该对象可以被释放。</p>
<p>当新创建一个 ByteBuf 对象时，它的初始引用计数为 1，当 ByteBuf 调用 release() 后，引用计数减 1，所以不要误以为调用了 release() 就会保证 ByteBuf 对象一定会被回收。你可以结合以下的代码示例做验证：</p>
<pre><code>ByteBuf buffer = ctx.alloc().directbuffer();
assert buffer.refCnt() == 1;
buffer.release();
assert buffer.refCnt() == 0;
</code></pre>
<p>引用计数对于 Netty 设计缓存池化有非常大的帮助，当引用计数为 0，该 ByteBuf 可以被放入到对象池中，避免每次使用 ByteBuf 都重复创建，对于实现高性能的内存管理有着很大的意义。</p>
<p>此外 Netty 可以利用引用计数的特点实现内存泄漏检测工具。JVM 并不知道 Netty 的引用计数是如何实现的，当 ByteBuf 对象不可达时，一样会被 GC 回收掉，但是如果此时 ByteBuf 的引用计数不为 0，那么该对象就不会释放或者被放入对象池，从而发生了内存泄漏。Netty 会对分配的 ByteBuf 进行抽样分析，检测 ByteBuf 是否已经不可达且引用计数大于 0，判定内存泄漏的位置并输出到日志中，你需要关注日志中 LEAK 关键字。</p>
<h3>ByteBuf 分类</h3>
<p>ByteBuf 有多种实现类，每种都有不同的特性，下图是 ByteBuf 的家族图谱，可以划分为三个不同的维度：<strong>Heap/Direct</strong>、<strong>Pooled/Unpooled</strong>和<strong>Unsafe/非 Unsafe</strong>，我逐一介绍这三个维度的不同特性。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F-3h3WAMF4CAAe4IOav4SA876.png" alt="image" /></p>
<p><strong>Heap/Direct 就是堆内和堆外内存</strong>。Heap 指的是在 JVM 堆内分配，底层依赖的是字节数据；Direct 则是堆外内存，不受 JVM 限制，分配方式依赖 JDK 底层的 ByteBuffer。</p>
<p><strong>Pooled/Unpooled 表示池化还是非池化内存</strong>。Pooled 是从预先分配好的内存中取出，使用完可以放回 ByteBuf 内存池，等待下一次分配。而 Unpooled 是直接调用系统 API 去申请内存，确保能够被 JVM GC 管理回收。</p>
<p><strong>Unsafe/非 Unsafe 的区别在于操作方式是否安全。</strong> Unsafe 表示每次调用 JDK 的 Unsafe 对象操作物理内存，依赖 offset + index 的方式操作数据。非 Unsafe 则不需要依赖 JDK 的 Unsafe 对象，直接通过数组下标的方式操作数据。</p>
<h3>ByteBuf 核心 API</h3>
<p>我会分为<strong>指针操作</strong>、<strong>数据读写</strong>和<strong>内存管理</strong>三个方面介绍 ByteBuf 的核心 API。在开始讲解 API 的使用方法之前，先回顾下之前我们实现的自定义解码器，以便于加深对 ByteBuf API 的理解。</p>
<pre><code>public final void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List&lt;Object&gt; out) {
// 判断 ByteBuf 可读取字节
if (in.readableBytes() &lt; 14) {
return;
}
in.markReaderIndex(); // 标记 ByteBuf 读指针位置
in.skipBytes(2); // 跳过魔数
in.skipBytes(1); // 跳过协议版本号
byte serializeType = in.readByte();
in.skipBytes(1); // 跳过报文类型
in.skipBytes(1); // 跳过状态字段
in.skipBytes(4); // 跳过保留字段
int dataLength = in.readInt();
if (in.readableBytes() &lt; dataLength) {
in.resetReaderIndex(); // 重置 ByteBuf 读指针位置
return;
}
byte[] data = new byte[dataLength];
in.readBytes(data);
SerializeService serializeService = getSerializeServiceByType(serializeType);
Object obj = serializeService.deserialize(data);
if (obj != null) {
out.add(obj);
}
}
</code></pre>
<h4>指针操作 API</h4>
<ul>
<li><strong>readerIndex() &amp; writeIndex()</strong></li>
</ul>
<p>readerIndex() 返回的是当前的读指针的 readerIndex 位置，writeIndex() 返回的当前写指针 writeIndex 位置。</p>
<ul>
<li><strong>markReaderIndex() &amp; resetReaderIndex()</strong></li>
</ul>
<p>markReaderIndex() 用于保存 readerIndex 的位置，resetReaderIndex() 则将当前 readerIndex 重置为之前保存的位置。</p>
<p>这对 API 在实现协议解码时最为常用，例如在上述自定义解码器的源码中，在读取协议内容长度字段之前，先使用 markReaderIndex() 保存了 readerIndex 的位置，如果 ByteBuf 中可读字节数小于长度字段的值，则表示 ByteBuf 还没有一个完整的数据包，此时直接使用 resetReaderIndex() 重置 readerIndex 的位置。</p>
<p>此外对应的写指针操作还有 markWriterIndex() 和 resetWriterIndex()，与读指针的操作类似，我就不再一一赘述了。</p>
<h4>数据读写 API</h4>
<ul>
<li><strong>isReadable()</strong></li>
</ul>
<p>isReadable() 用于判断 ByteBuf 是否可读，如果 writerIndex 大于 readerIndex，那么 ByteBuf 是可读的，否则是不可读状态。</p>
<ul>
<li><strong>readableBytes()</strong></li>
</ul>
<p>readableBytes() 可以获取 ByteBuf 当前可读取的字节数，可以通过 writerIndex - readerIndex 计算得到。</p>
<ul>
<li><strong>readBytes(byte[] dst) &amp; writeBytes(byte[] src)</strong></li>
</ul>
<p>readBytes() 和 writeBytes() 是两个最为常用的方法。readBytes() 是将 ByteBuf 的数据读取相应的字节到字节数组 dst 中，readBytes() 经常结合 readableBytes() 一起使用，dst 字节数组的大小通常等于 readableBytes() 的大小。</p>
<ul>
<li><strong>readByte() &amp; writeByte(int value)</strong></li>
</ul>
<p>readByte() 是从 ByteBuf 中读取一个字节，相应的 readerIndex + 1；同理 writeByte 是向 ByteBuf 写入一个字节，相应的 writerIndex + 1。类似的 Netty 提供了 8 种基础数据类型的读取和写入，例如 readChar()、readShort()、readInt()、readLong()、writeChar()、writeShort()、writeInt()、writeLong() 等，在这里就不详细展开了。</p>
<ul>
<li><strong>getByte(int index) &amp; setByte(int index, int value)</strong></li>
</ul>
<p>与 readByte() 和 writeByte() 相对应的还有 getByte() 和 setByte()，get/set 系列方法也提供了 8 种基础类型的读写，那么这两个系列的方法有什么区别呢？read/write 方法在读写时会改变readerIndex 和 writerIndex 指针，而 get/set 方法则不会改变指针位置。</p>
<h4>内存管理 API</h4>
<ul>
<li><strong>release() &amp; retain()</strong></li>
</ul>
<p>之前已经介绍了引用计数的基本概念，每调用一次 release() 引用计数减 1，每调用一次 retain() 引用计数加 1。</p>
<ul>
<li><strong>slice() &amp; duplicate()</strong></li>
</ul>
<p>slice() 等同于 slice(buffer.readerIndex(), buffer.readableBytes())，默认截取 readerIndex 到 writerIndex 之间的数据，最大容量 maxCapacity 为原始 ByteBuf 的可读取字节数，底层分配的内存、引用计数都与原始的 ByteBuf 共享。</p>
<p>duplicate() 与 slice() 不同的是，duplicate()截取的是整个原始 ByteBuf 信息，底层分配的内存、引用计数也是共享的。如果向 duplicate() 分配出来的 ByteBuf 写入数据，那么都会影响到原始的 ByteBuf 底层数据。</p>
<ul>
<li><strong>copy()</strong></li>
</ul>
<p>copy() 会从原始的 ByteBuf 中拷贝所有信息，所有数据都是独立的，向 copy() 分配的 ByteBuf 中写数据不会影响原始的 ByteBuf。</p>
<p>到底为止，ByteBuf 的核心 API 我们基本已经介绍完了，ByteBuf 读写指针分离的小设计，确实带来了很多实用和便利的功能，在开发的过程中不必再去想着 flip、rewind 这种头疼的操作了。</p>
<h3>ByteBuf 实战演练</h3>
<p>学习完 ByteBuf 的内部构造以及核心 API 之后，我们下面通过一个简单的示例演示一下 ByteBuf 应该如何使用，代码如下所示。</p>
<pre><code>public class ByteBufTest {
public static void main(String[] args) {
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(6, 10);
printByteBufInfo(&quot;ByteBufAllocator.buffer(5, 10)&quot;, buffer);
buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2});
printByteBufInfo(&quot;write 2 Bytes&quot;, buffer);
buffer.writeInt(100);
printByteBufInfo(&quot;write Int 100&quot;, buffer);
buffer.writeBytes(new byte[]{3, 4, 5});
printByteBufInfo(&quot;write 3 Bytes&quot;, buffer);
byte[] read = new byte[buffer.readableBytes()];
buffer.readBytes(read);
printByteBufInfo(&quot;readBytes(&quot; + buffer.readableBytes() + &quot;)&quot;, buffer);
printByteBufInfo(&quot;BeforeGetAndSet&quot;, buffer);
System.out.println(&quot;getInt(2): &quot; + buffer.getInt(2));
buffer.setByte(1, 0);
System.out.println(&quot;getByte(1): &quot; + buffer.getByte(1));
printByteBufInfo(&quot;AfterGetAndSet&quot;, buffer);
}
private static void printByteBufInfo(String step, ByteBuf buffer) {
System.out.println(&quot;------&quot; + step + &quot;-----&quot;);
System.out.println(&quot;readerIndex(): &quot; + buffer.readerIndex());
System.out.println(&quot;writerIndex(): &quot; + buffer.writerIndex());
System.out.println(&quot;isReadable(): &quot; + buffer.isReadable());
System.out.println(&quot;isWritable(): &quot; + buffer.isWritable());
System.out.println(&quot;readableBytes(): &quot; + buffer.readableBytes());
System.out.println(&quot;writableBytes(): &quot; + buffer.writableBytes());
System.out.println(&quot;maxWritableBytes(): &quot; + buffer.maxWritableBytes());
System.out.println(&quot;capacity(): &quot; + buffer.capacity());
System.out.println(&quot;maxCapacity(): &quot; + buffer.maxCapacity());
}
}
</code></pre>
<p>程序的输出结果在此我就不贴出了，建议你可以先尝试思考 readerIndex、writerIndex 是如何改变的，然后再动手跑下上述代码，验证结果是否正确。</p>
<p>结合代码示例，我们总结一下 ByteBuf API 使用时的注意点：</p>
<ul>
<li>write 系列方法会改变 writerIndex 位置，当 writerIndex 等于 capacity 的时候，Buffer 置为不可写状态；</li>
<li>向不可写 Buffer 写入数据时，Buffer 会尝试扩容，但是扩容后 capacity 最大不能超过 maxCapacity，如果写入的数据超过 maxCapacity，程序会直接抛出异常；</li>
<li>read 系列方法会改变 readerIndex 位置，get/set 系列方法不会改变 readerIndex/writerIndex 位置。</li>
</ul>
<h3>总结</h3>
<p>本节课我们介绍了 Netty 强大的数据容器 ByteBuf，它不仅解决了 JDK NIO 中 ByteBuffer 的缺陷，而且提供了易用性更强的接口。很多开发者已经使用 ByteBuf 代替 ByteBuffer，即便他没有在写一个网络应用，也会单独使用 ByteBuf。ByteBuf 作为 Netty 中最基础的数据结构，你必须熟练掌握它，这是你精通 Netty 的必经之路，接下来的课程我们会围绕 ByteBuf 介绍关于 Netty 内存管理的相关设计。</p>
</div>
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