netty源码解解析(4.0)-24 ByteBuf基于内存池的内存管理

　io.netty.buffer.PooledByteBuf<T>使用内存池中的一块内存作为自己的数据内存，这个块内存是PoolChunk<T>的一部分。PooledByteBuf<T>是一个抽象类型，它有4个派生类:

• PooledHeapByteBuf, PooledUnsafeHeapByteBuf 使用堆内存的PooledByteBuffer<byte[]>。
• PooledDirectByteBuf, PooledUnsafeDirectByteBuf 使用直接内存的PooledByteBuf<ByteBuffer>。

初始化

　　PooledByteBuf的初始化过程分为两个步骤：创建实例；初始化内存。这两个步骤的代码如下：

    protected PooledByteBuf(Recycler.Handle recyclerHandle, int maxCapacity) {
        super(maxCapacity);
        this.recyclerHandle = recyclerHandle;
    }

    void init(PoolChunk<T> chunk, long handle, int offset, int length, int maxLength, PoolThreadCache cache) {
        init0(chunk, handle, offset, length, maxLength, cache);
    }

    private void init0(PoolChunk<T> chunk, long handle, int offset, int length, int maxLength, PoolThreadCache cache) {
        assert handle >= 0;
        assert chunk != null;

        this.chunk = chunk;
        memory = chunk.memory;
        allocator = chunk.arena.parent;
        this.cache = cache;
        this.handle = handle;
        this.offset = offset;
        this.length = length;
        this.maxLength = maxLength;
        tmpNioBuf = null;
    }

　　创建实例时调用的构造方法只是为maxCapacity和recyclerHandler属性赋值，构造方法是protected，不打算暴露到外面。派生类都提供了newInstance方法创建实例，以PooledHeapByteBuf为例，它的newInstance方法实现如下：

 1     private static final Recycler<PooledHeapByteBuf> RECYCLER = new Recycler<PooledHeapByteBuf>() {
 2         @Override
 3         protected PooledHeapByteBuf newObject(Handle handle) {
 4             return new PooledHeapByteBuf(handle, 0);
 5         }
 6     };
 7
 8     static PooledHeapByteBuf newInstance(int maxCapacity) {
 9         PooledHeapByteBuf buf = RECYCLER.get();
10         buf.reuse(maxCapacity);
11         return buf;
12     }

　　这里的newInstance使用RECYCLER创建实例对象。Recycler<T>是一个轻量级的，支持循环使用的对象池。当对象池中没有可用对象时，会在第4行使用构造方法创建一个新的对象。

　　init调用init0初始化数据内存，init0方法为几个内存相关的关键属性赋值:

• chunk:  PoolChunk<T>对象，这个PooledByteBuf使用的内存就是它的一部分。
• memory: 内存对象。更准确地说，PooledByteBuf使用的内存是它的一部分。
• allocator: 创建这个PooledByteBuf的PooledByteBufAllocator对象。
• cache:  线程专用的内存缓存。分配内存时会优先从这个缓存中寻找合适的内存块。
• handle:  内存在chunk中node的句柄。chunk使用handle可以计算出它对应内存的起始位置offset。
• offset:  分配内存的起始位置。
• length: 分配内存的长度，也是这个PooledByteBuf的capacity。
• maxLength: 这块内存node的最大长度。当调用capacity(int newCapacity)方法增加capacity时，只要newCapacity不大于这个值，就不用从新分配内存。

　　内存初始化完成之后，这个PooledByteBuf可使用的内存范围是memory内存中[offset, offset+length)。idx方法可以把ByteBuf的索引转换成memory的索引:

1     protected final int idx(int index) {
2         return offset + index;
3     }

重新分配内存

　　和前面讲过的ByteBuf实现一样，PooledByteBuf也需要使用capacity(int newCapacity)改变内存大小，也会涉及到把数据从旧内存中复制到新内存的问题。也就是说，要解决的问题是一样的，只是具体实现的差异。

 1     @Override
 2     public final ByteBuf capacity(int newCapacity) {
 3         checkNewCapacity(newCapacity);
 4
 5         // If the request capacity does not require reallocation, just update the length of the memory.
 6         if (chunk.unpooled) {
 7             if (newCapacity == length) {
 8                 return this;
 9             }
10         } else {
11             if (newCapacity > length) {
12                 if (newCapacity <= maxLength) {
13                     length = newCapacity;
14                     return this;
15                 }
16             } else if (newCapacity < length) {
17                 if (newCapacity > maxLength >>> 1) {
18                     if (maxLength <= 512) {
19                         if (newCapacity > maxLength - 16) {
20                             length = newCapacity;
21                             setIndex(Math.min(readerIndex(), newCapacity), Math.min(writerIndex(), newCapacity));
22                             return this;
23                         }
24                     } else { // > 512 (i.e. >= 1024)
25                         length = newCapacity;
26                         setIndex(Math.min(readerIndex(), newCapacity), Math.min(writerIndex(), newCapacity));
27                         return this;
28                     }
29                 }
30             } else {
31                 return this;
32             }
33         }
34
35         // Reallocation required.
36         chunk.arena.reallocate(this, newCapacity, true);
37         return this;
38     }

　　这个方法处理两大类情况: 不重新分配内存；重新分配内存并复制ByteBuf中的数据和状态。

　　不重新分配内存: 

　　8行： chunk不需要回收到内存池中，且newCapacity没有变化。

　　11-32行: chunk需要回收到内存池中。

　　　　13-14行：内存增大，且newcapacity不大于maxLength。把容量修改成newCapacity即可。

　　　　20-22行: 内存减小,  newCapacity 大于maxLength的一半，maxLength<=512， newCapacity >maxLength - 16。 把容量修改成newCapacity, 调整readerIndex, writerIndex。

　　　　25-27行: 内存减小，newCapacity大于maxLength的一半,  maxLength > 512。把容量修改成newCapacity, 调整readerIndex, writerIndex。

　　　　31行: 内存不变，不做任何操作。

　　需要重新分配内存:

　　36行: 任何不满足以上情况的都要重新分配内存。这里使用Arena的reallocate方法重新分配内存，并把旧内存释放调，代码如下:

 1     //io.netty.buffer.PoolArena#reallocate,
 2     void reallocate(PooledByteBuf<T> buf, int newCapacity, boolean freeOldMemory) {
 3         if (newCapacity < 0 || newCapacity > buf.maxCapacity()) {
 4             throw new IllegalArgumentException("newCapacity: " + newCapacity);
 5         }
 6
 7         int oldCapacity = buf.length;
 8         if (oldCapacity == newCapacity) {
 9             return;
10         }
11
12         PoolChunk<T> oldChunk = buf.chunk;
13         long oldHandle = buf.handle;
14         T oldMemory = buf.memory;
15         int oldOffset = buf.offset;
16         int oldMaxLength = buf.maxLength;
17         int readerIndex = buf.readerIndex();
18         int writerIndex = buf.writerIndex();
19
20         allocate(parent.threadCache(), buf, newCapacity);
21         if (newCapacity > oldCapacity) {
22             memoryCopy(
23                     oldMemory, oldOffset,
24                     buf.memory, buf.offset, oldCapacity);
25         } else if (newCapacity < oldCapacity) {
26             if (readerIndex < newCapacity) {
27                 if (writerIndex > newCapacity) {
28                     writerIndex = newCapacity;
29                 }
30                 memoryCopy(
31                         oldMemory, oldOffset + readerIndex,
32                         buf.memory, buf.offset + readerIndex, writerIndex - readerIndex);
33             } else {
34                 readerIndex = writerIndex = newCapacity;
35             }
36         }
37
38         buf.setIndex(readerIndex, writerIndex);
39
40         if (freeOldMemory) {
41             free(oldChunk, oldHandle, oldMaxLength, buf.cache);
42         }
43     }

　　7-9行: 内存大小没变化，返回。

　　12-18行: 记录下旧内存的信息，readerIndex, writerIndex。

　　20行: 为PooledByteBuf分配新内存。

　　21-38行: 把旧内存中数据复制到新内存，并把readerIndex，writerIndex设置在正确。

　　41行: 释放就内存。

释放内存

　　内存释放代码在deallocate中:

 1     @Override
 2     protected final void deallocate() {
 3         if (handle >= 0) {
 4             final long handle = this.handle;
 5             this.handle = -1;
 6             memory = null;
 7             tmpNioBuf = null;
 8             chunk.arena.free(chunk, handle, maxLength, cache);
 9             chunk = null;
10             recycle();
11         }
12     }

　　关键是第8行代码，使用PoolArena的free方法释放内存。然后是recycle把当前PooledByteBuf对象放到RECYCLER中循环使用。

PooledByteBufAllocator创建内存管理模块

　　在前面分析PooledByteBuf内存初始化，重新分配及释放时，看到了内存管理的三个核心模块: PoolArena(chunk.arena),  PoolChunk(chunk),  PoolThreadCache(cache)。PooledByteBuf的内存管理能力都是使用这三模块实现的，它本身没有实现内存管理算法。当需要为PooledByteBuf分配一块内存时，先从一个线程专用的PoolThreadCache中得到一个PoolArena,  使用PoolArena的allocate找到一个满足要求内存块PoolChunk,  从这个内存块中分配一块连续的内存handle，计算出这块内存起始位置的偏移量offset, 最后调用PooledByteBuf的init方法初始化内存完成内存分配。 释放内存调用PoolArena的free方法。在内存分配时，会优先从PoolThreadCache中寻找合适的内存块。在内存释放时会把内存块暂时放在PoolThreadCache中，等使用频率过低时才会还给PoolChunk。这三个模块中PoolArena,  PoolThreadCache由PooledByteBufAllocator创建，PoolChunk由PoolArean维护。

　　PooledByteBufAllocator维护了相关的几个属性:

　　PoolArena<byte[]>[] heapArenas

　　PoolArena<ByteBuffer>[] directArenas

　　PoolThreadLocalCache threadCache

　　headArenas和directArenas分别维护了多个PoolArena, 他们分别用来分配堆内存和直接内存。 如果使用得当，可以让每个线程持有一个专用的PoolArena,  避免线程间数据同步的开销。PoolThreadLocalCache会为每个线程创建一个专用的PoolThreadCache实例，这个实例分别持有一个heapArena和directArena。

　　接下来的的几个章节会详细分析PoolArena和PoolThreadCache的实现代码。