Dubbo源码解析(十一)远程通信——Buffer

目标:介绍Buffer的相关实现逻辑、介绍dubbo-remoting-api中的buffer包内的源码解析。

前言

缓存区在NIO框架中非常重要,它作为字节容器,每个NIO框架都有自己的相应的设计实现。比如Java NIO有ByteBuffer的设计,Mina有IoBuffer的设计,Netty4有ByteBuf的设计。 那么在本文讲到的内容是dubbo对于缓冲区做的一些接口定义,并且做了不同的框架实现缓冲区公共的逻辑。下面是本文要讲到的类图:

接下来我就按照类图上的一个一个分析,忽略test类。

源码分析

(一)ChannelBuffer

该接口继承了Comparable接口,该接口是通道缓存接口,是字节容器,在netty中也有通道缓存的设计,也就是io.netty.buffer.ByteBuf,该接口的方法定义和设计跟ByteBuf几乎一样,连注释都一样,所以我就不再细说了。

(二)AbstractChannelBuffer

该类实现了ChannelBuffer接口,是通道缓存的抽象类,它实现了ChannelBuffer所有方法,但是它实现的方法都是需要被重写的方法,具体的实现都是需要子类来实现。现在我们来恶补一下这个通道缓存的原理,当然这个原理跟netty的ByteBuf原理是分不开的。AbstractChannelBuffer维护了两个索引,一个用于读取,另一个用于写入当你从通道缓存中读取时,readerIndex将会被递增已经被读取的字节数,同样的当你写入的时候writerIndex也会被递增。

/**
 * 读索引
 */
private int readerIndex;

/**
 * 写索引
 */
private int writerIndex;

/**
 * 标记读索引
 */
private int markedReaderIndex;

/**
 * 标记写索引
 */
private int markedWriterIndex;
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可以看到该类有四个属性,读索引和写索引的作用就是我上述介绍的,读索引和写索引的起始位置都为索引位置0。而标记读索引和标记写索引是为了做备份回滚,当对缓冲区进行读写操作时,可能需要对之前的操作进行回滚,我们就需要将当前的读写索引备份到相应的标记索引中。

该类的其他方法都是利用四个属性来操作,无非就是检测是否有数据可读或者还是否有空间可写等方法,做一些前置条件的校验以及索引的设置,具体的实现都是需要子类来实现,所以我就不贴代码,因为逻辑比较简单。

(三)DynamicChannelBuffer

该类继承了AbstractChannelBuffer类,该类是动态的通道缓存区类,也就是该类是从ChannelBufferFactory工厂中动态的生成缓冲区,默认使用的工厂是HeapChannelBufferFactory。

1.属性和构造方法

/**
 * 通道缓存区工厂
 */
private final ChannelBufferFactory factory;

/**
 * 通道缓存区
 */
private ChannelBuffer buffer;

public DynamicChannelBuffer(int estimatedLength) {
    // 默认是HeapChannelBufferFactory
    this(estimatedLength, HeapChannelBufferFactory.getInstance());
}

public DynamicChannelBuffer(int estimatedLength, ChannelBufferFactory factory) {
    // 如果预计长度小于0 则抛出异常
    if (estimatedLength < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("estimatedLength: " + estimatedLength);
    }
    // 如果工厂为空,则抛出空指针异常
    if (factory == null) {
        throw new NullPointerException("factory");
    }
    // 设置工厂
    this.factory = factory;
    // 创建缓存区
    buffer = factory.getBuffer(estimatedLength);
}
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可以看到,该类有两个属性,所有的实现方法都是调用了buffer的方法,不过该buffer产生是通过工厂动态生成的。并且从构造方法来看,默认使用HeapChannelBufferFactory。

2.ensureWritableBytes

@Override
public void ensureWritableBytes(int minWritableBytes) {
    // 如果最小写入的字节数不大于可写的字节数,则结束
    if (minWritableBytes <= writableBytes()) {
        return;
    }

    // 新增容量
    int newCapacity;
    // 此缓冲区可包含的字节数等于0。
    if (capacity() == 0) {
        // 新增容量设置为1
        newCapacity = 1;
    } else {
        // 新增容量设置为缓冲区可包含的字节数
        newCapacity = capacity();
    }
    // 最小新增容量 = 当前的写索引+最小写入的字节数
    int minNewCapacity = writerIndex() + minWritableBytes;
    // 当新增容量比最小新增容量小
    while (newCapacity < minNewCapacity) {
        // 新增容量左移1位,也就是加倍
        newCapacity <<= 1;
    }

    // 通过工厂创建该容量大小当缓冲区
    ChannelBuffer newBuffer = factory().getBuffer(newCapacity);
    // 从buffer中读取数据到newBuffer中
    newBuffer.writeBytes(buffer, 0, writerIndex());
    // 替换原来到缓冲区
    buffer = newBuffer;
}
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该方法是确保数组有可写的容量,该方法是重写了父类的方法,通过传入一个最小写入的字节数,来对缓冲区进行扩容,可以看到,当现有的缓冲区不够大的时候,会对缓冲区进行加倍对扩容,直到buffer的大小大于传入的最小可写字节数。

3.copy

@Override
public ChannelBuffer copy(int index, int length) {
    // 创建缓冲区,预计长度最小为64,或者更大
    DynamicChannelBuffer copiedBuffer = new DynamicChannelBuffer(Math.max(length, 64), factory());
    // 复制数据
    copiedBuffer.buffer = buffer.copy(index, length);
    // 设置索引,读索引设置为0,写索引设置为copy的数据长度
    copiedBuffer.setIndex(0, length);
    // 返回缓存区
    return copiedBuffer;
}
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该方法是复制数据,在创建缓冲区的时候,预计长度最小是64,,然后重新设置读索引写索引。

其他方法都调用了buffer的方法或者调用了父类的方法,所以不再这里多说。

(四)ByteBufferBackedChannelBuffer

该方法继承AbstractChannelBuffer,该类是基于 Java NIO中的ByteBuffer来实现相关的读写数据等操作。

/**
 * ByteBuffer实例
 */
private final ByteBuffer buffer;

/**
 * 容量
 */
private final int capacity;

public ByteBufferBackedChannelBuffer(ByteBuffer buffer) {
    if (buffer == null) {
        throw new NullPointerException("buffer");
    }

    // 创建一个新的字节缓冲区,新缓冲区的大小将是此缓冲区的剩余容量
    this.buffer = buffer.slice();
    // 返回buffer的剩余容量
    capacity = buffer.remaining();
    // 设置写索引
    writerIndex(capacity);
}
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上述就是该类的属性和构造函数,可以看到它有一个ByteBuffer类型的实例,并且capacity是buffer的剩余容量。

还有其他的方法比如getByte方法是从buffer中读取数据方法,setBytes方法是把数据写入buffer,它们都有很多重载方法,为就不一一讲解了,它们都是调用了ByteBuffer中的一些方法,如果对于Java NIO中的ByteBuffer方法不是很熟悉的朋友,需要先了解一下Java NIO中的ByteBuffer。

(五)HeapChannelBuffer

该方法继承了AbstractChannelBuffer,该类中buffer是基于字节数组实现

/**
 * The underlying heap byte array that this buffer is wrapping.
 * 此缓冲区包装的基础堆字节数组。
 */
protected final byte[] array;

/**
 * Creates a new heap buffer with a newly allocated byte array.
 * 使用新分配的字节数组创建新的堆缓冲区。
 *
 * @param length the length of the new byte array
 */
public HeapChannelBuffer(int length) {
    this(new byte[length], 0, 0);
}

/**
 * Creates a new heap buffer with an existing byte array.
 * 使用现有字节数组创建新的堆缓冲区。
 *
 * @param array the byte array to wrap
 */
public HeapChannelBuffer(byte[] array) {
    this(array, 0, array.length);
}

/**
 * Creates a new heap buffer with an existing byte array.
 * 使用现有字节数组创建新的堆缓冲区。
 *
 * @param array       the byte array to wrap
 * @param readerIndex the initial reader index of this buffer
 * @param writerIndex the initial writer index of this buffer
 */
protected HeapChannelBuffer(byte[] array, int readerIndex, int writerIndex) {
    if (array == null) {
        throw new NullPointerException("array");
    }
    this.array = array;
    setIndex(readerIndex, writerIndex);
}
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该类有好几个构造函数,都是基于字节数组的,也就是在该类中包装了一个字节数组,把构造函数传入的字节数组传入到该属性中。其他方法逻辑比较简单。

(六)ChannelBufferFactory

public interface ChannelBufferFactory {

    /**
     * 获得缓冲区实例
     * @param capacity
     * @return
     */
    ChannelBuffer getBuffer(int capacity);

    ChannelBuffer getBuffer(byte[] array, int offset, int length);

    ChannelBuffer getBuffer(ByteBuffer nioBuffer);

}
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该接口是通道缓冲区工厂,其中就只定义了获得通道缓冲区的方法,比较好理解,它有两个实现类,我后续会讲到。

(七)HeapChannelBufferFactory

该类实现了ChannelBufferFactory,该类就是基于字节数组来创建缓冲区的工厂。

public class HeapChannelBufferFactory implements ChannelBufferFactory {

    /**
     * 单例
     */
    private static final HeapChannelBufferFactory INSTANCE = new HeapChannelBufferFactory();

    public HeapChannelBufferFactory() {
        super();
    }

    public static ChannelBufferFactory getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(int capacity) {
        // 创建一个capacity容量的缓冲区
        return ChannelBuffers.buffer(capacity);
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(byte[] array, int offset, int length) {
        return ChannelBuffers.wrappedBuffer(array, offset, length);
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(ByteBuffer nioBuffer) {
        // 判断该缓冲区是否有字节数组支持
        if (nioBuffer.hasArray()) {
            // 使用
            return ChannelBuffers.wrappedBuffer(nioBuffer);
        }

        // 创建一个nioBuffer剩余容量的缓冲区
        ChannelBuffer buf = getBuffer(nioBuffer.remaining());
        // 记录下nioBuffer的位置
        int pos = nioBuffer.position();
        // 写入数据到buf
        buf.writeBytes(nioBuffer);
        // 把nioBuffer的位置重置到pos
        nioBuffer.position(pos);
        return buf;
    }

}
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该类利用了单例模式,其中的方法比较简单,就是调用了ChannelBuffers中的方法,调用的方法实际上还是使用了HeapChannelBuffer中创建缓冲区的方法。

(八)DirectChannelBufferFactory

该类实现了ChannelBufferFactory接口,是直接缓冲区工厂,用来创建直接缓冲区。

public class DirectChannelBufferFactory implements ChannelBufferFactory {

    /**
     * 单例
     */
    private static final DirectChannelBufferFactory INSTANCE = new DirectChannelBufferFactory();

    public DirectChannelBufferFactory() {
        super();
    }

    public static ChannelBufferFactory getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(int capacity) {
        if (capacity < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("capacity: " + capacity);
        }
        if (capacity == 0) {
            return ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
        }
        // 生成直接缓冲区
        return ChannelBuffers.directBuffer(capacity);
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(byte[] array, int offset, int length) {
        if (array == null) {
            throw new NullPointerException("array");
        }
        if (offset < 0) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("offset: " + offset);
        }
        if (length == 0) {
            return ChannelBuffers.EMPTY_BUFFER;
        }
        if (offset + length > array.length) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("length: " + length);
        }

        ChannelBuffer buf = getBuffer(length);
        buf.writeBytes(array, offset, length);
        return buf;
    }

    @Override
    public ChannelBuffer getBuffer(ByteBuffer nioBuffer) {
        // 如果nioBuffer不是只读,并且它是直接缓冲区
        if (!nioBuffer.isReadOnly() && nioBuffer.isDirect()) {
            // 创建一个缓冲区
            return ChannelBuffers.wrappedBuffer(nioBuffer);
        }

        // 创建一个nioBuffer剩余容量的缓冲区
        ChannelBuffer buf = getBuffer(nioBuffer.remaining());
        // 记录下nioBuffer的位置
        int pos = nioBuffer.position();
        // 写入数据到buf
        buf.writeBytes(nioBuffer);
        // 把nioBuffer的位置重置到pos
        nioBuffer.position(pos);
        return buf;
    }
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该类中的实现方式与HeapChannelBufferFactory中的实现方式差不多,唯一的区别就是它创建的是一个直接缓冲区。

(九)ChannelBuffers

该类是缓冲区的工具类,提供创建、比较 ChannelBuffer 等公用方法。我在这里举两个方法来讲:

public static ChannelBuffer wrappedBuffer(ByteBuffer buffer) {
    // 如果缓冲区没有剩余容量
    if (!buffer.hasRemaining()) {
        return EMPTY_BUFFER;
    }
    // 如果是字节数组生成的缓冲区
    if (buffer.hasArray()) {
        // 使用buffer的字节数组生成一个新的缓冲区
        return wrappedBuffer(buffer.array(), buffer.arrayOffset() + buffer.position(), buffer.remaining());
    } else {
        // 基于ByteBuffer创建一个缓冲区(利用buffer的剩余容量创建)
        return new ByteBufferBackedChannelBuffer(buffer);
    }
}
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该方法通过buffer来创建一个新的缓冲区。可以看出来调用的就是上述生成缓冲区的三个类中的方法,ChannelBuffers中很多方法都是这样去实现的,逻辑比较简单。

public static boolean equals(ChannelBuffer bufferA, ChannelBuffer bufferB) {
    // 获得bufferA的可读数据
    final int aLen = bufferA.readableBytes();
    // 如果两个缓冲区的可读数据大小不一样,则不是同一个
    if (aLen != bufferB.readableBytes()) {
        return false;
    }

    final int byteCount = aLen & 7;

    // 获得两个比较的缓冲区的读索引
    int aIndex = bufferA.readerIndex();
    int bIndex = bufferB.readerIndex();

    // 最多比较缓冲区中的7个数据
    for (int i = byteCount; i > 0; i--) {
        // 一旦有一个数据不一样,则不是同一个
        if (bufferA.getByte(aIndex) != bufferB.getByte(bIndex)) {
            return false;
        }
        aIndex++;
        bIndex++;
    }

    return true;
}
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该方法就是比较两个缓冲区是否为同一个,重写了equals。

(十)ChannelBufferOutputStream

该类继承了OutputStream

1.属性和构造方法

/**
 * 缓冲区
 */
private final ChannelBuffer buffer;
/**
 * 记录开始写入的索引
 */
private final int startIndex;

public ChannelBufferOutputStream(ChannelBuffer buffer) {
    if (buffer == null) {
        throw new NullPointerException("buffer");
    }
    this.buffer = buffer;
    // 把开始写入数据的索引记录下来
    startIndex = buffer.writerIndex();
}
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该类中包装了一个缓冲区对象和startIndex,startIndex是记录开始写入的索引。

2.writtenBytes

public int writtenBytes() {
    return buffer.writerIndex() - startIndex;
}
复制代码

该方法是返回写入了多少数据。

该类里面还有write方法,都是调用了buffer.writeBytes。

(十一)ChannelBufferInputStream

该类继承了InputStream

1.属性和构造函数

/**
 * 缓冲区
 */
private final ChannelBuffer buffer;
/**
 * 记录开始读数据的索引
 */
private final int startIndex;
/**
 * 结束读数据的索引
 */
private final int endIndex;

public ChannelBufferInputStream(ChannelBuffer buffer) {
    this(buffer, buffer.readableBytes());
}

public ChannelBufferInputStream(ChannelBuffer buffer, int length) {
    if (buffer == null) {
        throw new NullPointerException("buffer");
    }
    if (length < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("length: " + length);
    }
    if (length > buffer.readableBytes()) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    }

    this.buffer = buffer;
    // 记录开始读数据的索引
    startIndex = buffer.readerIndex();
    // 设置结束读数据的索引
    endIndex = startIndex + length;
    // 标记读索引
    buffer.markReaderIndex();
}
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该类里面包装了读开始索引和结束索引,并且在构造方法中初始化这些属性。

2.readBytes

public int readBytes() {
    return buffer.readerIndex() - startIndex;
}
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该方法是返回读了多少数据。

3.available

@Override
public int available() throws IOException {
    return endIndex - buffer.readerIndex();
}
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该方法是返回还剩多少数据没读

4.read

@Override
public int read() throws IOException {
    if (!buffer.readable()) {
        return -1;
    }
    return buffer.readByte() & 0xff;
}

@Override
public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
    // 判断是否还有数据可读
    int available = available();
    if (available == 0) {
        return -1;
    }

    // 获得需要读取的数据长度
    len = Math.min(available, len);
    buffer.readBytes(b, off, len);
    return len;
}

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该方法是读数据,返回读了数据长度。

5.skip

@Override
public long skip(long n) throws IOException {
    if (n > Integer.MAX_VALUE) {
        return skipBytes(Integer.MAX_VALUE);
    } else {
        return skipBytes((int) n);
    }
}

private int skipBytes(int n) throws IOException {
    int nBytes = Math.min(available(), n);
    // 跳过一些数据
    buffer.skipBytes(nBytes);
    return nBytes;
}

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该方法是跳过n长度来读数据。

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