Netty之缓冲区ByteBuf解读（一）

时间：2024-01-26 08:53:01

Netty 在数据传输过程中，会使用缓冲区设计来提高传输效率。虽然，Java 在 NIO 编程中已提供 ByteBuffer 类进行使用，但是在使用过程中，其编码方式相对来说不太友好，也存在一定的不足。所以高性能的 Netty 框架实现了一套更加强大，完善的 ByteBuf，其设计理念也是堪称一绝。

ByteBuffer 分析

在分析 ByteBuf 之前，先简单讲下 ByteBuffer 类的操作。便于更好理解 ByteBuf 。

ByteBuffer 的读写操作共用一个位置指针，读写过程通过以下代码案例分析：

// 分配一个缓冲区，并指定大小
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
// 设置当前最大缓存区大小限制
buffer.limit(15);
System.out.println(String.format("allocate: pos=%s lim=%s cap=%s", buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity()));

String content = "ytao公众号";
// 向缓冲区写入数据
buffer.put(content.getBytes());
System.out.println(String.format("put: pos=%s lim=%s cap=%s", buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity()));

其中打印了缓冲区三个参数，分别是：

  • position 读写指针位置
  • limit 当前缓存区大小限制
  • capacity 缓冲区大小

打印结果：

当我们写入内容后，读写指针值为 13，ytao公众号英文字符占 1 个 byte，每个中文占 4 个 byte，刚好 13，小于设置的当前缓冲区大小 15。

接下来，读取内容里的 ytao 数据：

buffer.flip();
System.out.println(String.format("flip: pos=%s lim=%s cap=%s", buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity()));

byte[] readBytes = new byte[4];
buffer.get(readBytes);
System.out.println(String.format("get(4): pos=%s lim=%s cap=%s", buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity()));

String readContent = new String(readBytes);
System.out.println("readContent:"+readContent);

读取内容需要创建个 byte 数组来接收，并制定接收的数据大小。

在写入数据后再读取内容，必须主动调用ByteBuffer#flip或ByteBuffer#clear。

ByteBuffer#flip它会将写入数据后的指针位置值作为当前缓冲区大小，再将指针位置归零。会使写入数据的缓冲区改为待取数据的缓冲区，也就是说，读取数据会从刚写入的数据第一个索引作为读取数据的起始索引。

ByteBuffer#flip相关源码：

ByteBuffer#clear则会重置 limit 为默认值，与 capacity 大小相同。

接下读取剩余部分内容：

第二次读取的时候，可使用buffer#remaining来获取大于或等于剩下的内容的字节大小，该函数实现为limit - position，所以当前缓冲区域一定在这个值范围内。

readBytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(readBytes);
System.out.println(String.format("get(remaining): pos=%s lim=%s cap=%s", buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity()));

打印结果：

以上操作过程中，索引变化如图：

ByteBuf 读写操作

ByteBuf 有读写指针是分开的，分别是buf#readerIndex和buf#writerIndex，当前缓冲器大小buf#capacity。

这里缓冲区被两个指针索引和容量划分为三个区域：

  • 0 -> readerIndex 为已读缓冲区域，已读区域可重用节约内存，readerIndex 值大于或等于 0
  • readerIndex -> writerIndex 为可读缓冲区域，writerIndex 值大于或等于 readerIndex
  • writerIndex -> capacity 为可写缓冲区域，capacity 值大于或等于 writerIndex

如下图所示：

分配缓冲区

ByteBuf 分配一个缓冲区，仅仅给定一个初始值就可以。默认是 256。初始值不像 ByteBuffer 一样是最大值，ByteBuf 的最大值是Integer.MAX_VALUE

ByteBuf buf = Unpooled.buffer(13);
System.out.println(String.format("init: ridx=%s widx=%s cap=%s", buf.readerIndex(), buf.writerIndex(), buf.capacity()));

打印结果：

写操作

ByteBuf 写操作和 ByteBuffer 类似，只是写指针是单独记录的，ByteBuf 的写操作支持多种类型，有以下多个API：

写入字节数组类型：

String content = "ytao公众号";
buf.writeBytes(content.getBytes());
System.out.println(String.format("write: ridx=%s widx=%s cap=%s", buf.readerIndex(), buf.writerIndex(), buf.capacity()));

打印结果：

索引示意图：

读操作

一样的，ByteBuf 写操作和 ByteBuffer 类似，只是写指针是单独记录的，ByteBuf 的读操作支持多种类型，有以下多个API：

从当前 readerIndex 位置读取四个字节内容：

byte[] dst = new byte[4];
buf.readBytes(dst);
System.out.println(new String(dst));
System.out.println(String.format("read(4): ridx=%s widx=%s cap=%s", buf.readerIndex(), buf.writerIndex(), buf.capacity()));

打印结果：

索引示意图：

ByteBuf 动态扩容

通过上面的 ByteBuffer 分配缓冲区例子，向里面添加 [ytao公众号ytao公众号] 内容，使写入的内容大于 limit 的值。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
buffer.limit(15);

String content = "ytao公众号ytao公众号";
buffer.put(content.getBytes());

运行结果异常：

内容字节大小超过了 limit 的值时，缓冲区溢出异常，所以我们每次写入数据前，得检查缓区大小是否有足够空间，这样对编码上来说，不是一个好的体验。

使用 ByteBuf 添加同样的内容，给定同样的初始容器大小。

ByteBuf buf = Unpooled.buffer(15);
String content = "ytao公众号ytao公众号";
buf.writeBytes(content.getBytes());
System.out.println(String.format("write: ridx=%s widx=%s cap=%s", buf.readerIndex(), buf.writerIndex(), buf.capacity()));

打印运行结果:

通过上面打印信息，可以看到 cap 从设置的 15 变为了 64，当我们容器大小不够时，就是进行扩容，接下来我们分析扩容过程中是如何做的。
进入 writeBytes 里面：

校验写入内容长度：

在可写区域检查里：

  • 如果写入内容为空，抛出非法参数异常。
  • 如果写入内容大小小于或等于可写区域大小，则返回当前缓冲区，当中的writableBytes()函数为可写区域大小capacity - writerIndex
  • 如果写入内容大小大于最大可写区域大小，则抛出索引越界异常。
  • 最后剩下条件的就是写入内容大小大于可写区域，小于最大区域大小，则分配一个新的缓冲区域。

在容量不足，重新分配缓冲区的里面，以 4M 为阀门：

  • 如果待写内容刚好为 4M, 那么就分配 4M 的缓冲区。
  • 如果待写内容超过这个阀门且与阀门值之和不大于最大容量值，就分配(阀门值+内容大小值)的缓冲区；如果超过这个阀门且与阀门值之和大于最大容量值，则分配最大容量的缓冲区。
  • 如果待写内容不超过阀门值且大于 64，那么待分配缓冲区大小就以 64 的大小进行倍增，直到相等或大于待写内容。
  • 如果待写内容不超过阀门值且不大于 64，则返回待分配缓冲区大小为 64。

最后

Netty 实现的缓冲区，八个基本类型中，除了布尔类型，其他7种都有自己对应的 Buffer，但是实际使用过程中， ByteBuf 才是我们尝试用的，它可兼容任何类型。ByteBuf 在 Netty 体系中是最基础也是最重要的一员，要想更好掌握和使用 Netty，先理解并掌握 ByteBuf 是必需条件之一。



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