5. ByteBuf

2023-09-26 09:30:10

第5章 ByteBuf

Netty提供的ByteBuf与JDK的ByteBuffer相比，前者具有卓越的功能性和灵活性。

5.1 ByteBuf的API

ByteBuf提供读访问索引(readerIndex)和写访问索引(writerIndex)来控制字节数组。ByteBuf API具有以下优点:

    1. 允许用户自定义缓冲区类型扩展
    1. 通过内置的复合缓冲区类型实现透明的零拷贝
    1. 容量可按需增长（类似于 JDK 的 StringBuilder）
    1. 读写这两种模式之间不需要调用类似于JDK的ByteBuffer的flip()方法进行切换
    1. 读和写使用不同的索引
    1. 支持方法的链式调用
    1. 支持引用计数
    1. 支持池化

5.2 ByteBuf类 ----- Netty的数据容器

5.2.1 ByteBuf如何工作的

ByteBuf维护两个不同的索引: 读索引(readerIndex)和写索引(writerIndex)。如下图:
5. ByteBuf

    1. ByteBuf维护了readerIndex和writerIndex索引
    1. 当readerIndex > writerIndex时，则抛出IndexOutOfBoundsException
    1. ByteBuf容量 = writerIndex。
    1. ByteBuf可读容量 = writerIndex - readerIndex
    1. readXXX()和writeXXX()方法将会推进其对应的索引。自动推进
    1. getXXX()和setXXX()方法将对writerIndex和readerIndex无影响

5.2.2 ByteBuf的使用模式

ByteBuf本质是: 一个由不同的索引分别控制读访问和写访问的字节数组。
请记住这句话。ByteBuf共有三种模式: 堆缓冲区模式(Heap Buffer)、直接缓冲区模式(Direct Buffer)和复合缓冲区模式(Composite Buffer)

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
能在没有使用池化的情况下提供快速的分配和释放。

    1. 堆缓冲的优点: 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
    1. 堆缓冲的缺点: 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
代码:
/**
     * 代码清单 5-1 堆缓冲区
     */
    public static void heapBuffer() {
        // 创建Java堆缓冲区
        ByteBuf heapBuf = Unpooled.buffer();
        //检查ByteBuf是否有一个支撑数组
        //当 hasArray()方法返回 false 时，尝试访问支撑数组将触发一个 Unsupported OperationException。这个模式类似于 JDK 的 ByteBuffer 的用法。
        if (heapBuf.hasArray()) {
            byte[] array = heapBuf.array();
            //计算第一个字节的偏移量
            int offset = heapBuf.arrayOffset() + heapBuf.readerIndex();
            int length = heapBuf.readableBytes();
            //使用数组、偏移量和长度作为参数调用你的方法
            handleArray(array, offset, length);
        }
    }
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

    1. Direct Buffer的优点: 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
    1. Direct Buffer的缺点: 相对于堆缓冲区而言，Direct Buffer分配内存空间和释放更为昂贵
    1. 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
代码:
public static void directBuffer() {
    ByteBuf directBuf = Unpooled.directBuffer();
    if (!directBuf.hasArray()) {
        int length = directBuf.readableBytes();
        byte[] array = new byte[length];
        directBuf.getBytes(directBuf.readerIndex(), array);
        handleArray(array, 0, length);
    }
}
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。

警告 CompositeByteBuf 中的 ByteBuf 实例可能同时包含直接内存分配和非直接内存分配。
如果其中只有一个实例，那么对 CompositeByteBuf 上的 hasArray()方法的调用将返回该组
件上的 hasArray()方法的值；否则它将返回 false。

    1. 想要理解Composite Buffer，请记住：它是一个组合视图。它提供一种访问方式让使用者*的组合多个ByteBuf，避免了拷贝和分配新的缓冲区。
    1. Composite Buffer不支持访问其支撑数组。因此如果要访问，需要先将内容拷贝到堆内存中，再进行访问
    1. 下图是将两个ByteBuf：头部+Body组合在一起，没有进行任何复制过程。仅仅创建了一个视图

5. ByteBuf

下面代码使用 JDK 的 ByteBuffer 来实现这一需求。
创建了一个包含两个 ByteBuffer 的数组用来保存这些消息组件，
同时创建了第三个 ByteBuffer 用来保存所有这些数据的副本。

// Use an array to hold the message parts
ByteBuffer[] message = new ByteBuffer[] { header, body };
// Create a new ByteBuffer and use copy to merge the header and body
ByteBuffer message2 =
ByteBuffer.allocate(header.remaining() + body.remaining());
message2.put(header);
message2.put(body);
message2.flip();

分配和复制操作，以及伴随着对数组管理的需要，使得这个版本的实现效率低下而且笨拙。
下面展示了一个使用了 CompositeByteBuf 的版本。

代码:
public static void byteBufComposite() {
	// 复合缓冲区，只是提供一个视图
    CompositeByteBuf messageBuf = Unpooled.compositeBuffer();
    ByteBuf headerBuf = Unpooled.buffer(); // can be backing or direct
    ByteBuf bodyBuf = Unpooled.directBuffer();   // can be backing or direct
    messageBuf.addComponents(headerBuf, bodyBuf);
    messageBuf.removeComponent(0); // remove the header
    for (ByteBuf buf : messageBuf) {
        System.out.println(buf.toString());
    }
}

CompositeByteBuf 可能不支持访问其支撑数组，因此访问 CompositeByteBuf 中的数据类似于（访问）直接缓冲区的模式,如下

CompositeByteBuf compBuf = Unpooled.compositeBuffer();
int length = compBuf.readableBytes();
byte[] array = new byte[length];
compBuf.getBytes(compBuf.readerIndex(), array);
handleArray(array, 0, array.length);

Netty使用了CompositeByteBuf来优化套接字的I/O操作，尽可能地消除了
由JDK的缓冲区实现所导致的性能以及内存使用率的惩罚

5.3 字节级操作

5.3.1 随机访问索引

ByteBuf的索引与普通的Java字节数组一样。第一个字节的索引是0，最后一个字节索引总是capacity()-1。请记住下列两条，非常有用:

    1. readXXX()和writeXXX()方法将会推进其对应的索引readerIndex和writerIndex。自动推进
    1. getXXX()和setXXX()方法用于访问数据，对writerIndex和readerIndex无影响
代码:
public static void byteBufRelativeAccess() {
    ByteBuf buffer = Unpooled.buffer(); //get reference form somewhere
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
        byte b = buffer.getByte(i);// 不改变readerIndex值
        System.out.println((char) b);
    }
}

5.3.2 顺序访问索引

Netty的ByteBuf同时具有读索引和写索引，但JDK的ByteBuffer只有一个索引，所以JDK需要调用flip()方法在读模式和写模式之间切换。

    1. ByteBuf被读索引和写索引划分成3个区域：可丢弃字节区域，可读字节区域和可写字节区域
      5. ByteBuf

5.3.3 可丢弃字节区域

可丢弃字节区域是指:[0，readerIndex)之间的区域。可调用discardReadBytes()方法丢弃已经读过的字节。

    1. discardReadBytes()效果 ----- 将可读字节区域(CONTENT)[readerIndex, writerIndex)往前移动readerIndex位，同时修改读索引和写索引。
    1. discardReadBytes()方法会移动可读字节区域内容(CONTENT)。如果频繁调用，会有多次数据复制开销，对性能有一定的影响

5.3.4 可读字节区域

可读字节区域是指:[readerIndex, writerIndex)之间的区域。任何名称以read和skip开头的操作方法，都会改变readerIndex索引。

5.3.5 可写字节区域

可写字节区域是指:[writerIndex, capacity)之间的区域。任何名称以write开头的操作方法都将改变writerIndex的值。

5.3.6 索引管理

    1. markReaderIndex()+resetReaderIndex() ----- markReaderIndex()是先备份当前的readerIndex，resetReaderIndex()则是将刚刚备份的readerIndex恢复回来。常用于dump ByteBuf的内容，又不想影响原来ByteBuf的readerIndex的值
    1. readerIndex(int) ----- 设置readerIndex为固定的值
    1. writerIndex(int) ----- 设置writerIndex为固定的值
    1. clear() ----- 效果是: readerIndex=0, writerIndex(0)。不会清除内存
    1. 调用clear()比调用discardReadBytes()轻量的多。仅仅重置readerIndex和writerIndex的值，不会拷贝任何内存，开销较小。

5.3.7 查找操作(indexOf)

查找ByteBuf指定的值。类似于，String.indexOf("str")操作

    1. 最简单的方法 ----- indexOf(）
    1. 利用ByteProcessor作为参数来查找某个指定的值。
代码:
public static void byteProcessor() {
    ByteBuf buffer = Unpooled.buffer(); //get reference form somewhere
    // 使用indexOf()方法来查找
    buffer.indexOf(buffer.readerIndex(), buffer.writerIndex(), (byte)8);
    // 使用ByteProcessor查找给定的值
    int index = buffer.forEachByte(ByteProcessor.FIND_CR);
}

5.3.8 派生缓冲区 ----- 视图

派生缓冲区为ByteBuf提供了一个访问的视图。视图仅仅提供一种访问操作，不做任何拷贝操作。下列方法，都会呈现给使用者一个视图，以供访问:

    1. duplicate()
    1. slice()
    1. slice(int, int)
    1. Unpooled.unmodifiableBuffer(...)
    1. Unpooled.wrappedBuffer(...)
    1. order(ByteOrder)
    1. readSlice(int)
理解
    1. 上面的6中方法，都会返回一个新的ByteBuf实例，具有自己的读索引和写索引。但是，其内部存储是与原对象是共享的。这就是视图的概念
    1. 请注意：如果你修改了这个新的ByteBuf实例的具体内容，那么对应的源实例也会被修改，因为其内部存储是共享的
    1. 如果需要拷贝现有缓冲区的真实副本，请使用copy()或copy(int, int)方法。
    1. 使用派生缓冲区，避免了复制内存的开销，有效提高程序的性能
代码:
public static void byteBufSlice() {
    Charset utf8 = Charset.forName("UTF-8");
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("Netty in Action rocks!", utf8);
    ByteBuf sliced = buf.slice(0, 15);
    System.out.println(sliced.toString(utf8));
    buf.setByte(0, (byte)'J');
    assert buf.getByte(0) == sliced.getByte(0); // return true
}

public static void byteBufCopy() {
    Charset utf8 = Charset.forName("UTF-8");
    ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("Netty in Action rocks!", utf8);
    ByteBuf copy = buf.copy(0, 15);
    System.out.println(copy.toString(utf8));
    buf.setByte(0, (byte)'J');
    assert buf.getByte(0) != copy.getByte(0); // return true
}

5.3.9 读/写操作

如上文所提到的，有两种类别的读/写操作:

    1. get()和set()操作 ----- 从给定的索引开始，并且保持索引不变
    1. read()和write()操作 ----- 从给定的索引开始，并且根据已经访问过的字节数对索引进行访问
    1. 下图给出get()操作API，对于set()操作、read()操作和write操作可参考书籍或API

5. ByteBuf

5.3.10 更多的操作

5. ByteBuf
下面的两个方法操作字面意思较难理解，给出解释:

    1. hasArray() ----- 如果ByteBuf由一个字节数组支撑，则返回true。通俗的讲：ByteBuf是堆缓冲区模式，则代表其内部存储是由字节数组支撑的。如果还没理解，可参考5.2.2章节
    1. array() ----- 如果ByteBuf是由一个字节数组支撑泽返回数组，否则抛出UnsupportedOperationException异常。也就是，ByteBuf是堆缓冲区模式

5.4 ByteBufHolder接口

ByteBufHolder为Netty的高级特性提供了支持，如缓冲区池化，可以从池中借用ByteBuf，并且在需要时自动释放。

    1. ByteBufHolder是ByteBuf的容器，可以通过子类实现ByteBufHolder接口，根据自身需要添加自己需要的数据字段。可以用于自定义缓冲区类型扩展字段。
    1. Netty提供了一个默认的实现DefaultByteBufHolder。
代码
public class CustomByteBufHolder extends DefaultByteBufHolder{

    private String protocolName;

    public CustomByteBufHolder(String protocolName, ByteBuf data) {
        super(data);
        this.protocolName = protocolName;
    }

    @Override
    public CustomByteBufHolder replace(ByteBuf data) {
        return new CustomByteBufHolder(protocolName, data);
    }

    @Override
    public CustomByteBufHolder retain() {
        super.retain();
        return this;
    }

    @Override
    public CustomByteBufHolder touch() {
        super.touch();
        return this;
    }

    @Override
    public CustomByteBufHolder touch(Object hint) {
        super.touch(hint);
        return this;
    }
    ...
}

5.5 ByteBuf分配

创建和管理ByteBuf实例的多种方式：按需分配(ByteBufAllocator)、Unpooled缓冲区和ByteBufUtil类

5.5.1 按序分配: ByteBufAllocator接口

Netty通过接口ByteBufAllocator实现了(ByteBuf的)池化。Netty提供池化和非池化的ButeBufAllocator:

    1. ctx.channel().alloc().buffer() ----- 本质就是: ByteBufAllocator.DEFAULT
    1. ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer() ----- 返回一个基于堆或者直接内存存储的Bytebuf。默认是堆内存
    1. ByteBufAllocator.DEFAULT ----- 有两种类型: UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT(非池化)和PooledByteBufAllocator.DEFAULT(池化)。对于Java程序，默认使用PooledByteBufAllocator(池化)。对于安卓，默认使用UnpooledByteBufAllocator(非池化)
    1. 可以通过BootStrap中的Config为每个Channel提供独立的ByteBufAllocator实例

5. ByteBuf

解释:
    1. 上图中的buffer()方法，返回一个基于堆或者直接内存存储的Bytebuf ----- 缺省是堆内存。源码: AbstractByteBufAllocator() { this(false); }
    1. ByteBufAllocator.DEFAULT ----- 可能是池化，也可能是非池化。默认是池化(PooledByteBufAllocator.DEFAULT)

5.5.2 Unpooled缓冲区 ----- 非池化

Unpooled提供静态的辅助方法来创建未池化的ByteBuf。

5. ByteBuf

注意:
    1. 上图的buffer()方法，返回一个未池化的基于堆内存存储的ByteBuf
    1. wrappedBuffer() ----- 创建一个视图，返回一个包装了给定数据的ByteBuf。非常实用
创建ByteBuf代码:
 public void createByteBuf(ChannelHandlerContext ctx) {
    // 1. 通过Channel创建ByteBuf
    ByteBuf buf1 = ctx.channel().alloc().buffer();
    // 2. 通过ByteBufAllocator.DEFAULT创建
    ByteBuf buf2 =  ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    // 3. 通过Unpooled创建
    ByteBuf buf3 = Unpooled.buffer();
}

5.5.3 ByteBufUtil类

ByteBufUtil类提供了用于操作ByteBuf的静态的辅助方法: hexdump()和equals

    1. hexdump() ----- 以十六进制的表示形式打印ByteBuf的内容。非常有价值
    1. equals() ----- 判断两个ByteBuf实例的相等性

5.6 引用计数

Netty4.0版本中为ButeBuf和ButeBufHolder引入了引用计数技术。请区别引用计数和可达性分析算法(jvm垃圾回收)

    1. 谁负责释放: 一般来说，是由最后访问(引用计数)对象的那一方来负责将它释放
    1. buffer.release() ----- 引用计数减1
    1. buffer.retain() ----- 引用计数加1
    1. buffer.refCnt() ----- 返回当前对象引用计数值
    1. buffer.touch() ----- 记录当前对象的访问位置，主要用于调试。
    1. 引用计数并非仅对于直接缓冲区(direct Buffer)。ByteBuf的三种模式: 堆缓冲区(heap Buffer)、直接缓冲区(dirrect Buffer)和复合缓冲区(Composite Buffer)都使用了引用计数，某些时候需要程序员手动维护引用数值
代码：
public static void releaseReferenceCountedObject(){
    ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    // 引用计数加1
    buffer.retain();
    // 输出引用计数
    buffer.refCnt();
    // 引用计数减1
    buffer.release();
}

5.7 建议

    1. 如果使用了Netty的ByteBuf，建议功能测试时，打开内存检测: -Dio.netty.leakDetectionLevel=paranoid
    1. ByteBuf的三种模式: 堆缓冲区(heap Buffer)、直接缓冲区(dirrect Buffer)和复合缓冲区(Composite Buffer)都使用了引用计数，某些时候需要程序员手动维护引用数值。
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