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【源起Netty 正傳】升級版卡車——ByteBuf

Jason_Geng / 2952人閱讀

摘要:之所以稱它為卡車,只因編程思想中有段比喻我們可以把它想象成一個煤礦,通道是一個包含煤層數據的礦藏,而緩沖器則是派送到礦藏中的卡車。那么升級版卡車,自然指的就是。結構和功能之所以再次打造了升級版的緩沖器,顯然是不滿中的某些弊端。

卡車

卡車指的是java原生類ByteBuffer,這兄弟在NIO界大名鼎鼎,與Channel、Selector的鐵三角組合構筑了NIO的核心。之所以稱它為卡車,只因《編程思想》中有段比喻:

我們可以把它想象成一個煤礦,通道(Channel)是一個包含煤層(數據)的礦藏,而緩沖器(ByteBuffer)則是派送到礦藏中的卡車。卡車滿載煤炭而歸,我們再從卡車上獲得煤炭。也就是說,我們并沒有直接和通道交互;我們只是和緩沖器交互,并把緩沖器派送到通道。

那么升級版卡車,自然指的就是ByteBuf

結構和功能

Netty之所以再次打造了升級版的緩沖器,顯然是不滿ByteBuffer中的某些弊端。

ByteBuffer長度固定

使用者經常需要調用flip()、rewind()方法調整position的位置,不方便

API功能有限

ByteBuffer中有三個重要的位置屬性:position、limit、capacity,一個寫操作之后大概是這樣的

如若想進行讀操作,那么flip()的調用是少不了的,從圖中不難看出,目前position到limit啥也沒有。
調用flip()之后則不一樣了(我們不一樣~):

而ByteBuf的人設則不相同,它的兩個位置屬性readIndexwriteIndex,分別和讀操作、寫操作相對應。“寫”不操作readIndex,“讀”不操作writeIndex,兩者不會相互干擾。這里盜幾張圖說明下好了:

初始狀態

寫入N個字節

讀取M個(M

釋放已讀緩存discardReadBytes

重點在于ByteBuf的read和write相關方法,已經封裝好了對readIndex、writeIndex位置索引的操作,不需要使用者繁瑣的flip()。且write()方法中,ByteBuf設計了自動擴容,這一點后續章節會進行詳細說明。

功能方面,主要關注兩點:

Derived buffers,類似于數據庫視圖。ByteBuf提供了多個接口用于創建某ByteBuf的視圖或復制ByteBuf:

duplicate:返回當前ByteBuf的復制對象,緩沖區內容共享(修改復制的ByteBuf,原來的ByteBuf內容也隨之改變),索引獨立維護。

copy:內容和索引都獨立。

slice:返回當前ByteBuf的可讀子緩沖區,內容共享,索引獨立。

轉換成ByteBuffer
nio的SocketChanel進行網絡操作,還是操作的java原生的ByteBuffer,所以ByteBuf轉換成ByteBuffer的需求還是有市場的。

ByteBuffer nioBuffer():當前ByteBuf的可讀緩沖區轉換成ByteBuffer,緩沖區內容共享,索引獨立。需要指出的是,返回后的ByteBuffer無法感知原ByteBuf的動態擴展操作。

ByteBuf星系

稱之為“星系”,是因為ByteBuf一脈涉及到的類實在太多了,但多而不亂,歸功于類關系結構的設計。

類關系結構

依然盜圖:

從內存分配角度,ByteBuf可分為兩類

堆內存HeapByteBuf字節緩沖區

直接內存DirectByteBuf字節緩沖區

從內存回收角度,ByteBuf也可分為兩類:

普通緩沖區UnpooledByteBuf

池化緩沖區PooledByteBuf

縱觀該關繼承節構,給我留下的印象就是每層各司其職:讀操作以及其它的一些公共功能由父類實現,差異化功能由子類實現。

下面聊下筆者感興趣的幾個點……

AbstractByteBuf的寫操作簇

AbstractByteBuf的寫操作有很多,這里以writeBytes(byte[] src, int srcIndex, int length)方法為例

@Override
public ByteBuf writeBytes(byte[] src, int srcIndex, int length) {
    ensureWritable(length);    //一、確保可寫,對邊界進行驗證
    setBytes(writerIndex, src, srcIndex, length);    //二、寫入操作,不同類型的子類實現方式不同
    writerIndex += length;
    return this;
}

注釋部分分別展開看下。

注釋一、確保可寫,對邊界進行驗證

跟調用棧ensureWritable -> ensureWritable0,觀察ensureWritable0方法

final void ensureWritable0(int minWritableBytes) {
    ensureAccessible();    //確保對象可用
    if (minWritableBytes <= writableBytes()) {
        return;
    }

    if (minWritableBytes > maxCapacity - writerIndex) {
        throw new IndexOutOfBoundsException(String.format(
                "writerIndex(%d) + minWritableBytes(%d) exceeds maxCapacity(%d): %s",
                writerIndex, minWritableBytes, maxCapacity, this));
    }

    // Normalize the current capacity to the power of 2.
    // 三、計算擴容量
    int newCapacity = alloc().calculateNewCapacity(writerIndex + minWritableBytes, maxCapacity);

    // Adjust to the new capacity.
    capacity(newCapacity);    //四、內存分配
}

比較

先對要寫入的字節數minWritableBytes進行判斷:如果minWritableBytes < capacity - writeIndex,那么很好,不需要擴容;如果minWritableBytes > maxCapacity - writerIndex,也就是要寫入字節數超過了允許的最大字節數,直接拋出越界異常IndexOutOfBoundsException。

眼尖的朋友可能發現了,兩次用來判斷的上界并不相同——capacity / maxCapacity。maxCapacity是AbstractByteBuf的屬性,而capacity設定在其子類中。簡單看下UnpooledDirectByteBuf的構造函數:

public UnpooledDirectByteBuf(ByteBufAllocator alloc, int initialCapacity, int maxCapacity) {
    super(maxCapacity);    //為AbstractByteBuf的maxCapacity屬性賦值
    
    /**
     *    ……
     *    省略無關部分
     */
     
    setByteBuffer(ByteBuffer.allocateDirect(initialCapacity));    //capacity賦值
}

也就是說,ByteBuf的結構,可看成這樣:

擴容計算

@Override
public int calculateNewCapacity(int minNewCapacity, int maxCapacity) {
    if (minNewCapacity < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("minNewCapacity: " + minNewCapacity + " (expected: 0+)");
    }
    if (minNewCapacity > maxCapacity) {
        throw new IllegalArgumentException(String.format(
                "minNewCapacity: %d (expected: not greater than maxCapacity(%d)",
                minNewCapacity, maxCapacity));
    }

    /** 
     *  設置閥值為4MB
     *  1.如果擴展的容量大于閥值,對擴張后的內存和最大內存進行比較:大于最大長度使用最大長度,否則步進4M
     *  2.如果需要擴展的容量小于閥值,以64進行計數倍增:64->128->256;為防止倍增過猛,最后與最大值再次進行比較
     */
    final int threshold = CALCULATE_THRESHOLD; // 4 MiB page

    if (minNewCapacity == threshold) {
        return threshold;
    }

    // If over threshold, do not double but just increase by threshold.
    if (minNewCapacity > threshold) {
        int newCapacity = minNewCapacity / threshold * threshold;
        if (newCapacity > maxCapacity - threshold) {
            newCapacity = maxCapacity;
        } else {
            newCapacity += threshold;
        }
        return newCapacity;
    }

    // Not over threshold. Double up to 4 MiB, starting from 64.
    int newCapacity = 64;
    while (newCapacity < minNewCapacity) {
        newCapacity <<= 1;
    }

    return Math.min(newCapacity, maxCapacity);
}

具體的擴容策略,已拍入注釋中,盡可查看!

注釋二、寫入操作,不同類型的子類實現方式不同

對比下UnpooledDirectByteBufUnpooledHeapByteBuf的實現

UnpooledDirectByteBuf

@Override
public ByteBuf setBytes(int index, byte[] src, int srcIndex, int length) {
    checkSrcIndex(index, length, srcIndex, src.length);
    ByteBuffer tmpBuf = internalNioBuffer();    //分配
    tmpBuf.clear().position(index).limit(index + length);
    tmpBuf.put(src, srcIndex, length);
    return this;
}

UnpooledHeapByteBuf

@Override
public ByteBuf setBytes(int index, byte[] src, int srcIndex, int length) {
    checkSrcIndex(index, length, srcIndex, src.length);
    System.arraycopy(src, srcIndex, array, index, length); //分配
    return this;
}

篇幅有限,不展開說了,結論就是:
UnpooledDirectByteBuf的底層實現為ByteBuffer.allocateDirect,分配時復制體通過buffer.duplicate()獲取復制體;而UnpooledHeapByteBuf的底層實現為byte[],分配時通過System.arraycopy方法拷貝副本。

AbstractReferenceCountedByteBuf

AbstractReferenceCountedByteBuf的名字就挺有意思——“引用計數”,一副JVM垃圾回收的即視感。而事實上,也差不多一個意思。

看下類屬性:

private static final AtomicIntegerFieldUpdater refCntUpdater =
          AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AbstractReferenceCountedByteBuf.class, "refCnt");

private volatile int refCnt;

以原子方式更新屬性的AtomicIntegerFieldUpdater起了關鍵作用,將會對volatile修飾的refCnt進行更新,見retain方法(下面展示的是retain的關鍵部分retain0):

private ByteBuf retain0(final int increment) {
    int oldRef = refCntUpdater.getAndAdd(this, increment);
    if (oldRef <= 0 || oldRef + increment < oldRef) {
        // Ensure we don"t resurrect (which means the refCnt was 0) and also that we encountered an overflow.
        refCntUpdater.getAndAdd(this, -increment);
        throw new IllegalReferenceCountException(oldRef, increment);
    }
    return this;
}

源碼閱讀很有意思的一點就是能看到些自己不熟悉的類,比如AtomicIntegerFieldUpdater我以前就沒接觸過!

內存池

內存池可有效的提升效率,道理和線程池、數據庫連接池相通,即省去了重復創建銷毀的過程

到目前為止,看到的都是ByteBuf中的各Unpooled實現,而池化版的ByteBuf沒怎么提過。為何如此?因為池化的實現較復雜,以我現在的功力尚不能完全掌握透徹。

先聊下內存池的設計思路,漲漲姿勢:
為了集中集中管理內存的分配和釋放,同事提高分配和釋放內存時候的性能,很多框架和應用都會通過預先申請一大塊內存,然后通過提供相應的分配和釋放接口來使用內存。這樣一來,堆內存的管理就被集中到幾個類或函數中,由于不再頻繁使用系統調用來申請和釋放內存,應用或系統的性能也會大大提高。 ——節選自《Netty權威指南》

Netty的ByteBuf內存池也是按照這個思路搞的。首先,看下官方注釋:

/**
 * Notation: The following terms are important to understand the code
 * > page  - a page is the smallest unit of memory chunk that can be allocated
 * > chunk - a chunk is a collection of pages
 * > in this code chunkSize = 2^{maxOrder} * pageSize
 */

這里面有兩個重要的概念page(頁)和chunk(塊),chunk管理多個page組成二叉樹結構,大概就是這個樣子:

選擇二叉樹是有原因的:

/**
 * To search for the first offset in chunk that has at least requested size available we construct a
 * complete balanced binary tree and store it in an array (just like heaps) - memoryMap
 */

為了在chunk中找到至少可用的size的偏移量offset。
繼線性結構后,人們又發明了樹形結構的意義在于“提升查詢效率”,也同樣是這里選擇二叉樹的原因。

小于一個page的內存,直接在PoolSubpage中分配完成。

某塊內存是否分配,將通過狀態位進行標識。

后記

一如既往的啰嗦幾句,最近工作忙,更新文章較慢,希望自己能堅持,如發現問題望大家指正!
thanks..

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