[Java知识库]Netty 源码分析系列（六）字节缓冲区 ByteBuf（上）

前言

网络数据传输的基本单位是字节，缓冲区就是存储字节的容器。在存取字节时，会先把字节放入缓冲区，再在操作缓冲区实现字节的批量存储以提升性能。

Java NIO 提供了ByteBuffer 作为它的缓冲区，但是这个类用起来过于复杂，而且也有些繁琐。因此，Netty 自己实现了 ByteBuf 以替代 ByteBuffer 。

本篇文章就来介绍Netty自己缓冲区的作用。

ByteBuf类

缓冲区可以简单理解为一段内存区域，某些情况下，如果程序频繁的操作一个资源（如文件或数据库），则性能会很低，此时为了提升性能，就可以将一部分数据暂时读入内存的一块区域之中，以后直接从此区域中读取数据即可。因为读取内存速度会很快，这样就可以提升程序的性能。

因此，缓冲区决定了网络数据处理的性能。

ByteBuf 被设计为一个可从底层解决 ByteBuffer 问题，并可满足日常网络应用开发需要的缓冲类型，其特点如下：

• 允许使用自定义的缓冲区类型。
• 通过内置的复合缓冲区类型实现了透明的零拷贝。
• 容量可以按需增长（类似于 JDK 的 StringBuilder）。
• 在读和写这两种模式之间切换不需要调用 ByteBuffer 的 flip()方法；
• 正常情况下具有比 ByteBuffer 更快的响应速度。

ByteBuffer 实现原理

使用 ByteBuffer 读写数据一般遵循以下4个步骤。

• 写入数据到 ByteBuffer 。
• 调用 flip()方法。
• 从 ByteBuffer 中读取数据。
• 调用clear()方法或者compact()方法。

当向 ByteBuffer 写入数据时， ByteBuffer 会记录下写了多少数据。一旦读取数据时，需要通过flip()方法将 ByteBuffer 从写入模式切换到读取模式。在读取模式下，可以读取之前写入 ByteBuffer 的所有数据。

一旦读完了所有数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()方法或者compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清空已经读取过的数据，任何未读的数据都被移到缓冲区的起初处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

下面是一个 Java NIO 实现 服务器端实例中使用ByteBuffe的例子：

// 可写
if (key.isWritable()) {
    SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
    ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
    output.flip();
    client.write(output);

    System.out.println("NonBlokingEchoServer  -> " 
                       + client.getRemoteAddress() + "：" + output.toString());

    output.compact();

    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}

对于ByteBuffer，其主要有五个属性：mark，position，limit，capacity和array。这五个属性的作用如下：

• mark：记录了当前所标记的索引下标。
• position：对于写入模式，表示当前可写入数据的下标，对于读取模式，表示接下来可以读取的数据的下标。
• limit：对于写入模式，表示当前可以写入的数组大小，默认为数组的最大长度，对于读取模式，表示当前最多可以读取的数据的位置下标。
• capacity：表示当前数组的容量大小。
• array：保存了当前写入的数据。

上述变量存在以下关系：

0 <= mark <= position <=limit <= capacity

这几个数据中，除了 array 是用于保存数据的以外，这里最需要关注的是position，limit和capacity三个属性，因为对于写入和读取模式，这三个属性的表示的含义大不一样。

ByteBuffer 写入模式

如下图所示为初始状态和写入3个字节之后position，limit和capacity三个属性的状态：

从图中可以看出，在写入模式下：

• limit指向的始终是当前可最多写入的数组索引下标。
• position指向的则是下一个可以写入的数据的索引位置。
• capacity则始终不会变化，即为数组大小。

ByteBuffer 读取模式

假设我们按照上述方式在初始长度为6的 ByteBuffer 中写入了三个字节的数据，此时我们将模式切换为读取模式，那么这里的position，limit和capacity则变为如下形式：

可以看到，当切换为读取模式之后：

• limit则指向了最后一个可读取数据的下一个位置，表示最多可读取的数据。

• position则指向了数组的初始位置，表示下一个可读取的数据的位置。

• capacity还是表示数组的最大容量。

这里当我们一个一个读取数据的时候，position就会依次往下切换，当与limit重合时，就表示当前ByteBuffer中已没有可读取的数据了。

ByteBuffer 写入模式切换为读取模式

读写切换时要调用flip()方法。flip()方法的核心源码如下：

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

从上述源码可以看出，执行flip()后，将limit设置为position，然后将该position设置为0。

clear() 与 compact() 方法

一旦读取完 ByteBuffer 中的数据，需要让 ByteBuffer 准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设置为0，limit将被设置为capacity的值。换句话说，ByteBuffer 被清空了。ByteBuffer 中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往 ByteBuffer 里写数据。

如果 ByteBuffer 中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将被遗忘，意味着不再有任何标记标注哪些数据被读过，哪些还没有。

clear()方法的核心源码如下：

public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

如果 ByteBuffer 中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有的未读的数据复制到 ByteBuffer 起始处。然后将 position 设置到最后一个未读元素的后面。limit属性依然像clear()方法一样设置成capacity。现在 ByteBuffer 准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

compact()方法核心源码如下：

public ByteBuffer compact() {

    int pos = position();
    int lim = limit();
    assert (pos <= lim);
    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

    unsafe.copyMemory(ix(pos), ix(0), (long)rem << 0);
    position(rem);
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;

}

ByteBuffer 使用案例

为了更好的理解 ByteBuffer ，我们来看一些示例：

public class ByteBufferDemo {

	public static void main(String[] args) {
		// 创建一个缓冲区
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
		System.out.println("------------初始时缓冲区------------");
		printBuffer(buffer);

		// 添加一些数据到缓冲区中
		System.out.println("------------添加数据到缓冲区------------");

		String s = "love";
		buffer.put(s.getBytes());
		printBuffer(buffer);

		// 切换成读模式
		System.out.println("------------执行flip切换到读取模式------------");
		buffer.flip();
		printBuffer(buffer);

		// 读取数据
		System.out.println("------------读取数据------------");

		// 创建一个limit()大小的字节数组(因为就只有limit这么多个数据可读)
		byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];

		// 将读取的数据装进我们的字节数组中
		buffer.get(bytes);
		printBuffer(buffer);

		// 执行compact
		System.out.println("------------执行compact------------");
		buffer.compact();
		printBuffer(buffer);

		// 执行clear
		System.out.println("------------执行clear清空缓冲区------------");
		buffer.clear();
		printBuffer(buffer);

	}

	/**
	 * 打印出ByteBuffer的信息
	 * 
	 * @param buffer
	 */
	private static void printBuffer(ByteBuffer buffer) {
		System.out.println("mark：" + buffer.mark());
		System.out.println("position：" + buffer.position());
		System.out.println("limit：" + buffer.limit());
		System.out.println("capacity：" + buffer.capacity());
	}
}

输出结果：

------------初始时缓冲区------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
position：0
limit：10
capacity：10
------------添加数据到缓冲区------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]
position：4
limit：10
capacity：10
------------执行flip切换到读取模式------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
position：0
limit：4
capacity：10
------------读取数据------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]
position：4
limit：4
capacity：10
------------执行compact------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
position：0
limit：10
capacity：10
------------执行clear清空缓冲区------------
mark：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
position：0
limit：10
capacity：10

Process finished with exit code 0

总结

本文首先展示了ByteBuffer在写入模式和读取模式下内部的一个状态，然后分析了clear() 与 compact() 方法的源码，最后讲解了ByteBuffer的使用案例。

下节我们再来分析ByteBuf实现原理。

结尾

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