09.Netty之ByteBuf介绍（一）

Leefs 2022-06-11 PM 1522℃ 0条

[TOC]

### 一、概述

ByteBuf是对NIO中ByteBuffer的增强。相比于ByteBuffer，Netty 的 ByteBuf 具有卓越的功能性和灵活性。

**ByteBuf API 的优点**

+ 可以被用户自定义的缓冲区类型扩展
+ 通过内置的复合缓冲区类型实现透明的零拷贝
+ 容量可以按需增长
+ 在读和写这两种模式之间切换不需要调用 ByteBuffer 的 flip() 方法
+ 在读和写使用了不同的索引
+ 支持方法的链式调用
+ 支持引用计数
+ 支持池化

### 二、工作原理

ByteBuf 维护了两个不同的索引：一个用于读取，一个用于写入，当你从 ByteBuf 读取时，readIndex 会递增已经被读取的字节数。同样的，当你写入 ByteBuf 时，它的 writeIndex 也会递增。

![09.Netty之ByteBuf介绍（一）01.png](https://lilinchao.com/usr/uploads/2022/06/121746136.png)

readIndex 和 writeIndex 的起始位置都为 0。

如果 readIndex 和 writeIndex 的值相等，也即此时已经到了可读取数据的末尾，就如同达到数组末尾一样，试图读取超出该点的数据将触发 IndexOutOfBoundsException。

名称以read或者write开头的ByteBuf方法，将会推进其对应的索引，而名称以set或者get开关的操作则不会。可以指定ByteBuf的最大容量。（默认的限制是Integer.MAX_VALUE）。

### 三、ByteBuf创建

可以通过ByteBuf Allocator类中的默认实现来创建一个Bytebuf

```java
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.ByteBufAllocator;

public class ByteBufCreateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //在传参时可以指定ByteBuf的容量,如果不指定的默认是256
//        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    }
}
```

+ 在创建ByteBuf时可以指定容量大小，如果不指定的默认是256

相比于NIO中的ByteBuffer，Netty中的Bytebuf可以动态扩容。

+ **验证动态扩容**

```java
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.ByteBufAllocator;

/**
 * Created by lilinchao
 * Date 2022/6/11
 * Description ByteBuf验证动态扩容
 */
public class ByteBufCreateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个Bytebuf，默认创建的容量是256
        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        System.out.println("添加数据前：" + buffer);
        // 往Bytebuf中写数据
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        // 故意超过初始容量，验证是否会自动扩容
        for (int i = 0; i < 300; i++) {
            stringBuilder.append("a");
        }
        // 将数据写入ByteBuf
        buffer.writeBytes(stringBuilder.toString().getBytes());
        System.out.println("添加数据后：" + buffer);
    }
}
```

**运行结果**

```
添加数据前：PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 0, cap: 256)
添加数据后：PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 300, cap: 512)
```

**说明**

+ **ridx**：表示read index，即读取位置；
+ **widx**：表示write index，即写入位置；
+ **cap**：表示容量

从程序运行结果可知，将数据写入ByteBuf后容量由之前的256扩容到512，扩大了一倍。

### 四、ByteBuf的使用模式

**ByteBuf共有三种模式:**

+ 堆缓冲区模式(Heap Buffer)

```java
  //可以使用下面的代码来创建池化基于堆的 ByteBuf
  ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(16);
  ```

+ 直接缓冲区模式(Direct Buffer)

```java
  //通过该方法创建的ByteBuf，使用的是基于直接内存的ByteBuf
  ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);
  ```

+ 复合缓冲区模式(Composite Buffer)

#### 4.1 堆缓冲区模式(Heap Buffer)

堆缓冲区模式又称为**支撑数组(backing array)**。将数据存放在JVM的堆空间，通过将数据存储在数组中实现。

- **优点**: 由于数据存储在JVM堆中可以快速创建和快速释放，并且提供了数组直接快速访问的方法
- **缺点**: 每次数据与I/O进行传输时，都需要将数据拷贝到直接缓冲区

```java
public class ByteBufHeapBufferDemo {
    
	public static void main(String[] args) {	
		// 创建一个堆缓冲区
		ByteBuf buffer = Unpooled.buffer(10);
		String s = "waylau";
		buffer.writeBytes(s.getBytes());
		// 检查是否是支撑数组
		if (buffer.hasArray()) {
			// 获取支撑数组的引用
			byte[] array = buffer.array();
			// 计算第一个字节的偏移量
			int offset = buffer.readerIndex() + buffer.arrayOffset();
			// 可读字节数
			int length = buffer.readableBytes();
			printBuffer(array, offset, length);
		}
	}
	//打印出Buffer的信息
	private static void printBuffer(byte[] array, int offset, int len) {
		System.out.println("array：" + array);
		System.out.println("array->String：" + new String(array));
		System.out.println("offset：" + offset);
		System.out.println("len：" + len);
	}
}

```

**运行结果**

```
array：[B@5b37e0d2
array->String：waylau    
offset：0
len：6
```

#### 4.2 直接缓冲区模式(Direct Buffer)

Direct Buffer属于堆外分配的直接内存，不会占用堆的容量。适用于套接字传输过程，避免了数据从内部缓冲区拷贝到直接缓冲区的过程，性能较好。

- **优点**: 使用Socket传递数据时性能很好，避免了数据从Jvm堆内存拷贝到直接缓冲区的过程。提高了性能
- **缺点:** 相对于堆缓冲区而言，Direct Buffer分配内存空间和释放更为昂贵

```java
public class ByteBufDirectBufferDemo {

public static void main(String[] args) {
		// 创建一个直接缓冲区
		ByteBuf buffer = Unpooled.directBuffer(10);
		String s = "waylau";
		buffer.writeBytes(s.getBytes());
		// 检查是否是支撑数组.
		// 不是支撑数组，则为直接缓冲区
		if (!buffer.hasArray()) {
			// 计算第一个字节的偏移量
			int offset = buffer.readerIndex();
			// 可读字节数
			int length = buffer.readableBytes();
			// 获取字节内容
			byte[] array = new byte[length];
			buffer.getBytes(offset, array);
			printBuffer(array, offset, length);
		}
	}

//打印出Buffer的信息
	private static void printBuffer(byte[] array, int offset, int len) {
		System.out.println("array：" + array);
		System.out.println("array->String：" + new String(array));
		System.out.println("offset：" + offset);
		System.out.println("len：" + len);
	}
}
```

**运行结果**

```java
array：[B@6d5380c2
array->String：waylau
offset：0
len：6
```

对于涉及大量I/O的数据读写，建议使用Direct Buffer。而对于用于后端的业务消息编解码模块建议使用Heap Buffer。

#### 4.3 复合缓冲区模式(Composite Buffer)

Composite Buffer是Netty特有的缓冲区。本质上类似于提供一个或多个ByteBuf的组合视图，可以根据需要添加和删除不同类型的ByteBuf。

+ **优点**：提供了一种访问方式让使用者自由地组合多个`ByteBuf`，避免了复制和分配新的缓冲区。

+ **缺点**：不支持访问其支撑数组。因此如果要访问，需要先将内容复制到堆内存中，再进行访问。

以下示例是复合缓冲区将堆缓冲区和直接缓冲区组合在一起，没有进行任何复制过程，仅仅创建了一个视图而已。

```java
public class ByteBufCompositeBufferDemo {

public static void main(String[] args) {
		// 创建一个堆缓冲区
		ByteBuf heapBuf = Unpooled.buffer(3);
		String way = "way";
		heapBuf.writeBytes(way.getBytes());
		// 创建一个直接缓冲区
		ByteBuf directBuf = Unpooled.directBuffer(3);
		String lau = "lau";
		directBuf.writeBytes(lau.getBytes());
		// 创建一个复合缓冲区
		CompositeByteBuf compositeBuffer = Unpooled.compositeBuffer(10);
		compositeBuffer.addComponents(heapBuf, directBuf); // 将缓冲区添加到符合缓冲区
		// 检查是否是支撑数组.
		// 不是支撑数组，则为复合缓冲区
		if (!compositeBuffer.hasArray()) {
			for (ByteBuf buffer : compositeBuffer) {
				// 计算第一个字节的偏移量
				int offset = buffer.readerIndex();
				// 可读字节数
				int length = buffer.readableBytes();
				// 获取字节内容
				byte[] array = new byte[length];
				buffer.getBytes(offset, array);
				printBuffer(array, offset, length);
			}
		}
	}

**运行结果**

```
array：[B@4d76f3f8
array->String：way
offset：0
len：3
array：[B@2d8e6db6
array->String：lau
offset：0
len：3
```

`CompositeByteBuf`是一个虚拟的缓冲区，其用途是将多个缓冲区显示为单个合并缓冲区，类似数据库中的视图。

### 五、池化与非池化

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

```java
-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

*附参考文章链接*

*https://blog.csdn.net/jiang_wang01/article/details/123238001*

标签: Netty

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