Java網路編程 -- Netty中的ByteBuf

由於JDK中提供的ByteBuffer無法動態擴容，並且API使用複雜等原因，Netty中提供了ByteBuf。
Bytebuf的API操作更加便捷，可以動態擴容，提供了多種ByteBuf的實現，以及高效的零拷貝機制。

ByteBuf的操作

ByteBuf有三個重要的屬性：capacity容量，readerIndex讀取位置，writerIndex寫入位置
提供了readerIndex和weiterIndex兩個變數指針來支持順序讀和寫操作

下圖顯示了一個緩衝區是如何被兩個指針分割成三個區域的：

代碼示例：

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;

import java.util.Arrays;

public class ByteBufDemo {
  public static void main(String[] args) {
    // 1.創建一個非池化的ByteBuf，大小為10個位元組
    ByteBuf buf = Unpooled.buffer(10);
    System.out.println("原始ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("1.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 2.寫入一段內容
    byte[] bytes = {1, 2, 3, 4, 5};
    buf.writeBytes(bytes);
    System.out.println("寫入的bytes為：" + Arrays.toString(bytes));
    System.out.println("寫入一段內容後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("2.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 3. 讀取一段內容
    byte b1 = buf.readByte();
    byte b2 = buf.readByte();
    System.out.println("讀取的bytes為：" + Arrays.toString(new byte[] {b1, b2}));
    System.out.println("讀取一段內容後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("3.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 4.將讀取的內容丟棄
    buf.discardReadBytes();
    System.out.println("將讀取的內容丟棄後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("4.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 5.清空讀寫指針
    buf.clear();
    System.out.println("清空讀寫指針後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("5.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 6.再次寫入一段內容，比第一段內容少
    byte[] bytes2 = {1, 2, 3};
    buf.writeBytes(bytes2);
    System.out.println("寫入的bytes為：" + Arrays.toString(bytes2));
    System.out.println("寫入一段內容後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("6.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 7.將ByteBuf清零
    buf.setZero(0, buf.capacity());
    System.out.println("清零後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("7.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");

    // 8.再次寫入一段超過容量的內容
    byte[] bytes3 = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11};
    buf.writeBytes(bytes3);
    System.out.println("寫入的bytes為：" + Arrays.toString(bytes));
    System.out.println("寫入一段內容後ByteBuf為：" + buf.toString());
    System.out.println("8.ByteBuf中的內容為：" + Arrays.toString(buf.array()) + "\n");
  }
}

ButeBuf動態擴容

capacity預設值：256位元組，最大值：Integer.MAX_VALUE （2G）

writeXXX方法調用時，通過AbstractByteBuf.ensureWritable0()方法進行檢查
容量計算方法：AbstractByteBufAllocator.calculateNewCapacity

根據capacity的最小值要求，對應有兩套計算方法：
沒超過4兆：從64位元組開始，每次遞增一倍，直至計算出來的newCapacity滿足新容量最小要求
示例：當前大小256，已寫250，繼續寫10位元組的數據，需要的最小容量要求是261，則新容量為64x2x2x2=512

超過4兆：新容量=新容量最小要求/4兆x4兆+4兆
示例：當前大小為3兆，已寫3兆，繼續寫2兆，需要的最小容量大小為5兆，則新容量是8兆（不能超過最大值）

4兆的來源：一個固定的閾值AbstractByteBufAllocator.CALCULATE_THRESHOLD

ByteBuf的實現

在使用中都是通過ByteBufAllocator分配器進行申請，同時具備有記憶體管理功能

PooledByteBuf對象，記憶體 復用

PooledThreadCache：PooledByteBufAllocator實例維護的一個線程變數
多種分類的MemoryRegionCache數組用作記憶體緩存，MemoryRegionCache內部是鏈表，隊列裡面存Chuck。PoolChuck裡面維護了記憶體引用，記憶體復用的做法就是把buf的memory指向chuck的memory
PooledByteBufAllocator.ioBuffer運作過程梳理：

零拷貝機制

Netty的零拷貝機制，是一種應用層的實現，和底層JVM，操作系統記憶體機制並無過多關聯。

1. CompositeByteBuf，將多個ByteBuf合併為一個邏輯上的ByteBuf，避免了各個ByteBuf之間的拷貝

1. wrapedBuffer()方法，將byte[]數組包裝成ByteBuf對象

1. slice()方法，將一個ByteBuf對象切割成多個ByteBuf對象

代碼示例：

public class ZeroCopyTest {

  public static void main(String[] args) {
    ByteBuf buffer1 = Unpooled.buffer(7);
    buffer1.writeByte(7);
    ByteBuf buffer2 = Unpooled.buffer(7);
    buffer2.writeByte(13);
    CompositeByteBuf compositeByteBuf = Unpooled.compositeBuffer();
    CompositeByteBuf newBuf = compositeByteBuf.addComponents(true, buffer1, buffer2);
    System.out.println("CompositeByteBuf：" + newBuf);

    byte[] bytes = {1, 2, 3};
    ByteBuf wrappedBuffer = Unpooled.wrappedBuffer(bytes);
    System.out.println("wrappedBuffer：" + wrappedBuffer.getByte(2));
    bytes[2] = 7;
    System.out.println("wrappedBuffer：" + wrappedBuffer.getByte(2));

    ByteBuf buf = Unpooled.wrappedBuffer("Netty".getBytes());
    ByteBuf slice = buf.slice(1, 2);
    slice.unwrap();
    System.out.println("slice：" + slice);
  }
}