Netty 4.x学习笔记 – ByteBuf

1、前言

程序员喜欢说一句话:「不要重复造轮子」,但是程序员又不太会践行这句话。这倒也不是坏事,程序员一般而言看他人代码都不会太爽,这也可能是导致程序员的世界有各式各样的轮子的原因吧。

2、ByteBuf与Java NIO Buffer

ByteBuf则是Java NIO Buffer的新轮子,官方列出了一些ByteBuf的特性:

  •  需要的话,可以自定义buffer类型;
  •  通过组合buffer类型,可实现透明的zero-copy;
  •  提供动态的buffer类型,如StringBuffer一样,容量是按需扩展;
  •  无需调用flip()方法;
  •  常常「often」比ByteBuffer快。

 参考地址: Rich Buffer Data Structure

3、ByteBuf实现类

ByteBuf提供了一些较为丰富的实现类,逻辑上主要分为两种:HeapByteBuf和DirectByteBuf,实现机制则分为两种:PooledByteBuf和UnpooledByteBuf,除了这些之外,Netty还实现了一些衍生ByteBuf(DerivedByteBuf),如:ReadOnlyByteBuf、DuplicatedByteBuf以及SlicedByteBuf。

ByteBuf实现类的类图如下:

HeapByteBuf和DirectByteBuf区别在于Buffer的管理方式:HeapByteBuf由Heap管理,Heap是Java堆的意思,内部实现直接采用byte[] array;DirectByteBuf使用是堆外内存,Direct应是采用Direct I/O之意,内部实现使用java.nio.DirectByteBuffoer。

Direct I/O
DirectByteBuffer

PooledByteBuf和UnpooledByteBuf,UnpooledByteBuf实现就是普通的ByteBuf了,PooledByteBuf是4.x之后的新特性,稍后再说。

DerivedByteBuf是ByteBuf衍生类,实现采用装饰器模式对原有的ByteBuf进行了一些封装。ReadOnlyByteBuf是某个ByteBuf的只读引用;DuplicatedByteBuf是某个ByteBuf对象的引用;SlicedByteBuf是某个ByteBuf的部分内容。

SwappedByteBuf和CompositedByteBuf我觉得也算某种程度的衍生类吧,SwappedByteBuf封装了一个ByteBuf对象和ByteOrder对象,实现某个ByteBuf对象序列的逆转;CompositedByteBuf内部实现了一个ByteBuf列表,称之为组合ByteBuf,由于不懂相关的技术业务,无法理解该类的存在意义(官方解释:A user can save bulk memory copy operations using a composite buffer at the cost of relatively expensive random access.)。这两个类从逻辑上似乎完全可以继承于DerivedByteBuf,Trustin大神为啥如此设计呢?

4、简要的ByteBuf的实现机制

ByteBuf有两个指针,readerIndex和writerIndex,用以控制buffer数组的读写。读逻辑较为简单,不考虑边界的情况下,就是`return array[readerIndex++];`。这里简要分析一下HeapByteBuf的读逻辑。

 1. AbstractByteBuf.ensureWritable(minWritableBytes);

 2. calculateNewCapacity(writerIndex + minWritableBytes)

  > 2.1 判断是否超过可写入容量 maxCapacity – writerIndex

  > 2.2 超过则抛异常,否则计算新容量 writerIndex + minWritableBytes

  > 2.3 判断是否超过设定阈值(4MB),超过每次增加按阈值(4MB)递增,否则

  > 2.4 初始大小为64字节(newCapacity),新容量超过newCapacity则翻倍,直到newCapacity大于新容量为止

  > 2.5 返回Min(newCapacity, maxCapacity);

 3. UnpooledHeapByteBuf.capacity(newCapacity);

  > 3.1 确保可访问,有一个`引用计数`的机制,引用计数为0,则抛异常(ensureAccessible) 

  > 3.2 常规操作:判断是否越界

  > 3.3 如果newCapacity比原容量大,则直接创建新数组,并设置。否则

  > 3.4 如果readerIndex小于新容量,将readable bytes拷贝至新的数组,反之将readerIndex和writerIndex均设置为newCapacity。

 4. setByte(writerIndex++, value)

  > 4.1 确保可访问

  > 4.2 设置

5、ByteBuf特殊机制

5.1 Pooled

4.x开发了Pooled Buffer,实现了一个高性能的buffer池,分配策略则是结合了buddy allocation和slab allocation的jemalloc变种,代码在io.netty.buffer.PoolArena。暂未深入研读。

官方说提供了以下优势:

  • 频繁分配、释放buffer时减少了GC压力;
  • 在初始化新buffer时减少内存带宽消耗(初始化时不可避免的要给buffer数组赋初始值);
  • 及时的释放direct buffer。

当然,官方也说了不保证没有内存泄露,所以默认情况下还是采用的UnpooledByteBufAllocator。5.x还处于beta版, 看它的「 new and noteworthy 」文档也没说有啥变化,哈哈哈哈 ,查看最新的「 new and noteworthy 」文档,PooledByteBufAllocator已经设置为默认的Allocator (revised in 2014-01-16)。

5.2 Reference Count

ByteBuf的生命周期管理引入了Reference Count的机制,感觉让我回到了CPP时代。可以通过简单的继承SimpleChannelInboundHandler实现自动释放reference count。SimpleChannelInboundHandler的事件方法如下,在消费完毕msg后,可以AutoRelease之:

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        boolean release = true;

        try {

            if (acceptInboundMessage(msg)) {

	@SuppressWarnings("unchecked")

	I imsg = (I) msg;

	messageReceived(ctx, imsg);

            } else {

	release = false;

	ctx.fireChannelRead(msg);

            }

        } finally {

            if (autoRelease && release) {

	ReferenceCountUtil.release(msg);

            }

        }

    }

这一小节可以单独拎出来和Pooled放在一起深入研读研读,有兴趣的可以先看看官方文档: Reference counted objects

5.3 Zero Copy

Zero-copy与传统意义的 zero-copy 不太一样。传统的zero-copy是IO传输过程中,数据无需中内核态到用户态、用户态到内核态的数据拷贝,减少拷贝次数。而Netty的zero-copy则是完全在用户态,或者说传输层的zero-copy机制,可以参考下图。由于协议传输过程中,通常会有拆包、合并包的过程,一般的做法就是System.arrayCopy了,但是Netty通过ByteBuf.slice以及Unpooled.wrappedBuffer等方法拆分、合并Buffer无需拷贝数据。

如何实现zero-copy的呢。slice实现就是创建一个SlicedByteBuf对象,将this对象,以及相应的数据指针传入即可,wrappedBuffer实现机制类似。

 参考地址: Combining and Slicing ChannelBuffers

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