1 初始ByteBuf
ByteBuf是Netty整个结构中最为底层的模块，主要负责把数据从底层I/O读取到ByteBuf，然后传递给应用程序，应用程序处理完成后再把数据封装成ByteBuf写回I/O。所以，ByteBuf是直接与底层打交道的一层抽象。
2 ByteBuf的基本结构
Netty官方对ByteBuf的描述，具体如下：
从上面ByteBuf的结构来看，发现ByteBuf有三个非常重要的指针，分别是readerIndex(记录读指针的开始位置)、writerIndex(记录写指针的开始位置)和capacity(缓冲区的总长度)，三者的关系是：readerIndex <= writerIndex <= capacity。从0到readerIndex为discardable bytes，表示是无效的；从readerIndex 到 writerIndex 为readable bytes，表示可读数据区；从writerIndex 到capacity位writable bytes，表示这段区间空闲，可以往里面写数据。除了这三个指针，ByteBuf里面其实还有一个指针maxCapacity，它相当于ByteBuf扩容的最大阈值，相应代码如下。
/**
* Returns the maximum allowed capacity of this buffer. If a user attempts to increase the
* capacity of this buffer beyond the maximum capacity using {@link #capacity(int)} or
* {@link #ensureWritable(int)}, those methods will raise an
* {@link IllegalArgumentException}.
*/
public abstract int maxCapacity();这个maxCapacity指针可以看作是指向capacity之后的这段区间，Netty发现writable bytes写数据超出空间大小时，ByteBuf会提前自动扩容，扩容之后，就有了足够的空间来写数据，同时capacity也会同步更新，maxCapacity就是扩容后capacity的最大值。
3 ByteBuf的重要API
看一下ByteBuf的基本API，主要包括read() write() set() mark() reset()等方法。请看下表
在Netty中，ByteBuf大部分功能是在AbstractByteBuf中实现的。
public abstract class AbstractByteBuf extends ByteBuf {
//读指针
int readerIndex;
//写指针
int writerIndex;
//mark之后的读指针
private int markedReaderIndex;
//mark之后的写指针
private int markedWriterIndex;
//最大容量
private int maxCapacity;
...
}下面来看基本读写的骨架代码实现。例如，几个基本的判断读写区间的API，具体实现代码如下：
public abstract class AbstractByteBuf extends ByteBuf {
@Override
public boolean isReadable() {
return writerIndex > readerIndex;
}
@Override
public boolean isReadable(int numBytes) {
return writerIndex - readerIndex >= numBytes;
}
@Override
public boolean isWritable() {
return capacity() > writerIndex;
}
@Override
public boolean isWritable(int numBytes) {
return capacity() - writerIndex >= numBytes;
}
@Override
public int readableBytes() {
return writerIndex - readerIndex;
}
@Override
public int writableBytes() {
return capacity() - writerIndex;
}
@Override
public int maxWritableBytes() {
return maxCapacity() - writerIndex;
}
@Override
public ByteBuf markReaderIndex() {
markedReaderIndex = readerIndex;
return this;
}
@Override
public ByteBuf resetReaderIndex() {
readerIndex(markedReaderIndex);
return this;
}
@Override
public ByteBuf markWriterIndex() {
markedWriterIndex = writerIndex;
return this;
}
@Override
public ByteBuf resetWriterIndex() {
writerIndex = markedWriterIndex;
return this;
}
}4 ByteBuf基本分类
AbstractByteBuf有很多子类，大致可以从三个维度进行分类。
1、Pooled：池化内存，就是从预先分配好的内存空间中提取一段连续内存封装成一个ByteBuf，分给应用程序使用。
2、Unsafe：是JDK底层的一个负责I/O操作的对象，可以直接获得对应的内存地址，基于内存地址进行读写操作。
3、Direct：堆外内存，直接调用JDK底层API进行物理内存分配，不在JVM的堆内存中，需要手动释放。
综上所述，其实ByteBuf会有6种组合：Pooled(池化内存)和Unpooled(非池化内存)；Unsafe和非Unsafe；Heap(堆内存)和Direct(堆外内存)。下图是ByteBuf最重要的继承关系类结构图，通过命名就能一目了然。
ByteBuf最基本的读写API操作在AbstractByteBuf中已经实现了，其众多子类采用不同的策略来分配内存空间，下表是对重要的几个子类的总结。
5 ByteBufAllocator内存管理器
Netty中内存分配有一个顶层的抽象就是ByteBufAllocator，负责分配所有ByteBuf类型的内存。主要有几个重要的API，如下表：
以上API中为什么没有前面提到的8种类型的内存分配API？下面来看ByteBufAllocator的基本实现类AbstractByteBufAllocator，重点分析主要API的基本实现，比如buffer()方法的代码如下：
public abstract class AbstractByteBufAllocator implements ByteBufAllocator {
public ByteBuf buffer() {
if (directByDefault) {
return directBuffer();
}
return heapBuffer();
}
}发现buffer方法中对是否默认支持directBuffer做了判断，如果支持则分配directBuffer，否则分配heapBuffer。
下面分别来看directBuffer方法和heapBuffer方法的实现，先来看directBuffer方法的代码。
@Override
public ByteBuf directBuffer() {
return directBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, Integer.MAX_VALUE);
}
@Override
public ByteBuf directBuffer(int initialCapacity) {
return directBuffer(initialCapacity, Integer.MAX_VALUE);
}
@Override
public ByteBuf directBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
if (initialCapacity == 0 && maxCapacity == 0) {
return emptyBuf;
}
validate(initialCapacity, maxCapacity);
return newDirectBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}directBuffer方法有多个重载方法，最终会调用newDirectBuffer方法，下面看newDirectBuffer的代码。
protected abstract ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);发现newDirectBuffer方法其实是一个抽象方法，最终，交给AbstractByteBufAllocator的子类来实现。同理再来看heapBuffer方法的代码。
@Override
public ByteBuf heapBuffer() {
return heapBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, Integer.MAX_VALUE);
}
@Override
public ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity) {
return heapBuffer(initialCapacity, Integer.MAX_VALUE);
}
@Override
public ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
if (initialCapacity == 0 && maxCapacity == 0) {
return emptyBuf;
}
validate(initialCapacity, maxCapacity);
return newHeapBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}发现heapBuffer方法最终是调用newHeapBuffer方法，而newHeapBuffer方法也是抽象方法，具体交给AbstractByteBufAllocator的子类实现。AbstractByteBufAllocator的子类主要有两个：PooledByteBufAllocator和UnpooledByteBufAllocator。AbstractByteBufAllocator的子类实现的类结构图如下：
分析到这里，已经知道directBuffer，heapBuffer和Pooled和Unpooled的分配规则，那么Unsafe和非Unsafe是如何判别的呢？其实是Netty自动判别的。如果操作系统底层支持Unsafe那就采用Unsafe读写，否则采用非Unsafe读写。可以从UnpooledByteBufAllocator的源码中验证，代码如下：
public final class UnpooledByteBufAllocator extends AbstractByteBufAllocator {
@Override
protected ByteBuf newHeapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
return PlatformDependent.hasUnsafe() ? new UnpooledUnsafeHeapByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity)
: new UnpooledHeapByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
}
@Override
protected ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
ByteBuf buf = PlatformDependent.hasUnsafe() ?
UnsafeByteBufUtil.newUnsafeDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity) :
new UnpooledDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
return disableLeakDetector ? buf : toLeakAwareBuffer(buf);
}
}发现在newHeapBuffer方法和newDirectBuffer方法中，分配内存判断PlatformDependent是否支持Unsafe，如果支持则创建Unsafe类型的Buffer，否则创建非Unsafe类型的Buffer，由Netty自动判断。