網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的基本單位永遠(yuǎn)是 byte(字節(jié))。Java NIO 提供 ByteBuffer 作為字節(jié)的容器，但該類過(guò)于復(fù)雜，有點(diǎn)難用。

ByteBuf是Netty當(dāng)中的最重要的工具類，它與JDK的ByteBuffer原理基本上相同，也分為堆內(nèi)與堆外倆種類型，但是ByteBuf做了極大的優(yōu)化，具有更簡(jiǎn)單的API，更多的工具方法和優(yōu)秀的內(nèi)存池設(shè)計(jì)。

1 API

Netty 的數(shù)據(jù)處理 API 通過(guò)兩個(gè)組件暴露——抽象類ByteBuf 和 接口 ByteBufHolder。

ByteBuf API 的優(yōu)點(diǎn)：

• 它可以被用戶自定義的緩沖區(qū)類型擴(kuò)展
• 通過(guò)內(nèi)置的復(fù)合緩沖區(qū)類型實(shí)現(xiàn)了透明的零拷貝；
• 容量可以按需增長(zhǎng)（類似于 JDK 的 StringBuilder）
• 在讀和寫(xiě)這兩種模式之間切換不需要調(diào)用 ByteBuffer 的 flip()方法
• 讀和寫(xiě)使用了不同的索引
• 支持方法的鏈?zhǔn)秸{(diào)用
• 支持引用計(jì)數(shù)
• 支持池化

其他類可用于管理 ByteBuf 實(shí)例的分配，以及執(zhí)行各種針對(duì)于數(shù)據(jù)容器本身和它所持有的數(shù)據(jù)的操作。

2 Netty 的數(shù)據(jù)容器

所有網(wǎng)絡(luò)通信最終都是基于底層的字節(jié)流傳輸，因此高效、方便、易用的數(shù)據(jù)接口是迷人的，而 Netty 的 ByteBuf 生而為滿足這些需求。

2.1 工作原理

ByteBuf 維護(hù)倆不同索引：一個(gè)用于讀取，一個(gè)用于寫(xiě)入：

• 從 ByteBuf 讀取時(shí)，其 readerIndex 將會(huì)被遞增已經(jīng)被讀取的字節(jié)數(shù)
• 當(dāng)寫(xiě)入 ByteBuf 時(shí)，writerIndex 也會(huì)被遞增
• 一個(gè)讀索引和寫(xiě)索引都設(shè)置為 0 的 16 字節(jié) ByteBuf
  

這些索引兩兩之間有什么關(guān)系呢？
若打算讀取字節(jié)直到 readerIndex == writerIndex，會(huì)發(fā)生啥？此時(shí)，將會(huì)到達(dá)“可讀取的”數(shù)據(jù)的末尾。類似試圖讀取超出數(shù)組末尾的數(shù)據(jù)一樣，試圖讀取超出該點(diǎn)的數(shù)據(jù)也會(huì)拋 IndexOutOfBoundsException。

• read、write 開(kāi)頭的 ByteBuf 方法，會(huì)推進(jìn)對(duì)應(yīng)索引
• set、get 開(kāi)頭的操作則不會(huì)。后面的這些方法將在作為一個(gè)參數(shù)傳入的一個(gè)相對(duì)索引上執(zhí)行操作

可指定 ByteBuf 的最大容量。試圖移動(dòng)寫(xiě)索引（即 writerIndex）超過(guò)這個(gè)值將會(huì)觸
發(fā)一個(gè)異常。（默認(rèn)限制 Integer.MAX_VALUE。）

內(nèi)存池化

非池化的堆內(nèi)與堆外的 ByteBuf

示意圖

ByteBuf heapBuffer = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(10);
ByteBuf directBuffer = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);

注意要手動(dòng)將GC 無(wú)法控制的非堆內(nèi)存的空間釋放：

池化的堆內(nèi)與堆外的 ByteBuf

示意圖

字節(jié)級(jí)操作

派生緩沖區(qū)

派生緩沖區(qū)為 ByteBuf 提供了以專門的方式來(lái)呈現(xiàn)其內(nèi)容的視圖。這類視圖通過(guò)以下方法創(chuàng)建：

• Unpooled.unmodifiableBuffer(…)
• order(ByteOrder)
• readSlice(int)

這些方法都將返回一個(gè)新的 ByteBuf 實(shí)例，但都具有自己獨(dú)立的讀、寫(xiě)和標(biāo)記索引。
其內(nèi)部存儲(chǔ)和 JDK 的 ByteBuffer 一樣，都是共享的。所以派生緩沖區(qū)的創(chuàng)建成本很低，但同時(shí)也表明若你修改了它的內(nèi)容，也會(huì)同時(shí)修改對(duì)應(yīng)源實(shí)例！

slice、slice(int, int)、retainedSlice、retainedSlice(int, int)

返回此緩沖區(qū)的可讀字節(jié)的一部分。
此方法與buf.slice(buf.readerIndex(), buf.readableBytes())相同。
該方法不會(huì)調(diào)用retain()，引用計(jì)數(shù)不會(huì)增加。
retainedSlice系列方法調(diào)用類似slice().retain()，但此方法可能返回產(chǎn)生較少垃圾的緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。

duplicate、retainedDuplicate

返回一個(gè)共享該緩沖區(qū)整個(gè)區(qū)域的緩沖區(qū)。
此方法不會(huì)修改此緩沖區(qū)的readerIndex或writerIndex

讀取器和寫(xiě)入器標(biāo)記將不會(huì)重復(fù)。
duplicate不會(huì)調(diào)用retain()，不會(huì)增加引用計(jì)數(shù)，而retainedDuplicate會(huì)。

readSlice、readRetainedSlice

返回部分空間，彼此共享底層緩沖區(qū)，會(huì)增加原緩沖區(qū)的readerIndex。

如果需要一個(gè)現(xiàn)有緩沖區(qū)的真實(shí)副本，請(qǐng)使用 copy()或者 copy(int, int)，因?yàn)檫@個(gè)調(diào)用所返回的 ByteBuf 擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)副本。

引用與釋放

ByteBuf 在使用完畢后一定要記得釋放，否則會(huì)造成內(nèi)存泄露。

引用計(jì)數(shù)

通過(guò)在某個(gè)對(duì)象所持有的資源不再被其他對(duì)象引用時(shí)釋放該對(duì)象所持有的資源來(lái)優(yōu)化內(nèi)存使用和性能的技術(shù)。
Netty 在4.x為 ByteBuf 和 ByteBufHolder 帶來(lái)了引用計(jì)數(shù)技術(shù)，都實(shí)現(xiàn)了：

ReferenceCounted接口

需要顯式釋放的引用計(jì)數(shù)對(duì)象。

當(dāng)一個(gè)新的ReferenceCounted被實(shí)例化時(shí)，以1 作為初始值。

retain()

增加引用計(jì)數(shù)，將引用計(jì)數(shù)加1。只要引用計(jì)數(shù)>0，就能保證對(duì)象不會(huì)被釋放。

release()

減少引用計(jì)數(shù)，將引用計(jì)數(shù)減1。若引用計(jì)數(shù)減少到0 ，對(duì)象將被顯式釋放，并且訪問(wèn)釋放的對(duì)象通常會(huì)導(dǎo)致訪問(wèn)沖突。

若實(shí)現(xiàn)ReferenceCounted的對(duì)象是其他實(shí)現(xiàn)ReferenceCounted的對(duì)象的容器，則當(dāng)容器的引用計(jì)數(shù)變?yōu)?0 時(shí)，所包含的對(duì)象也將通過(guò)release()被釋放。

引用計(jì)數(shù)對(duì)于池化實(shí)現(xiàn)（如 PooledByteBufAllocator）很重要，它降低了內(nèi)存分配的開(kāi)銷。

Channel channel = ...;
// 從 Channel 獲取 ByteBufAllocator
ByteBufAllocator allocator = channel.alloc();
...
// 從 ByteBufAllocator 分配一個(gè) ByteBuf
ByteBuf buffer = allocator.directBuffer();
// 檢查引用計(jì)數(shù)是否為預(yù)期的 1
assert buffer.refCnt() == 1;


ByteBuf buffer = ...;
// 減少該對(duì)象的活動(dòng)引用。當(dāng)減少到 0 時(shí)，該對(duì)象被釋放，該方法返回 true
boolean released = buffer.release();

試圖訪問(wèn)一個(gè)已經(jīng)被釋放的引用計(jì)數(shù)的對(duì)象，將會(huì)拋IllegalReferenceCountException

一個(gè)特定的（ReferenceCounted 的實(shí)現(xiàn)）類，可以用它自己的獨(dú)特方式來(lái)定義它的引用計(jì)數(shù)規(guī)則。例如可以設(shè)想一個(gè)類，其 release()方法的實(shí)現(xiàn)總是將引用計(jì)數(shù)設(shè)為
零，而不用關(guān)心它的當(dāng)前值，從而一次性使所有的活動(dòng)引用都失效。

誰(shuí)負(fù)責(zé)釋放

一般由最后訪問(wèn)（引用計(jì)數(shù)）對(duì)象的那一方來(lái)負(fù)責(zé)將它釋放。

以上就是一文學(xué)習(xí)Java NIO的ByteBuffer工作原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java NIO的ByteBuffer的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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