Netty源码解析 -- 零拷贝机制与ByteBuf

本文来分享Netty中的零拷贝机制以及内存缓冲区ByteBuf的实现。
源码分析基于Netty 4.1.52

Netty中的零拷贝

Netty中零拷贝机制主要有以下几种
1.文件传输类DefaultFileRegion#transferTo，调用FileChannel#transferTo，直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel，减少用户缓冲区的拷贝(通过linux的sendfile函数)。
使用read 和 write过程如下

使用sendfile

可以看到，使用sendfile函数可以减少数据拷贝以及用户态，内核态的切换

可参考: 操作系统和Web服务器那点事儿

2.Netty中提供了一些操作内存缓冲区的方法，如
Unpooled#wrappedBuffer方法，将byte数据，(jvm)ByteBuffer转换为ByteBuf
CompositeByteBuf#addComponents方法，合并ByteBuf
ByteBuf#slice方法，提取ByteBuf中部分数据片段
ByteBuf#duplicate，复制一个内存缓冲区
这些方法都是基于对象引用的操作，并没有内存拷贝，而是内存共享

3.使用堆外内存(jvm)ByteBuffer对Socket读写
如果使用JVM的堆内存读取Socket数据，JVM会将Socket数据读取到直接内存，再拷贝一份到堆内存中，写入数据到Socket也需要将堆内存拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。
因为操作系统进行io操作需要一个稳定的连续空间的字节空间, 但是java堆上的字节空间会随着gc进行而进行移动, 如果操作系统读取堆上的空间, 就会出错。
使用堆外内存可以避免该拷贝操作。
注意，这里从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区的操作并不能省略，毕竟我们需要对数据进行操作，所以还是要拷贝到用户态的。
可参考:
知乎--Java NIO中，关于DirectBuffer，HeapBuffer的疑问
知乎--Java NIO direct buffer的优势在哪儿？

ByteBuf

ByteBuf是用于与Channel交互的内存缓冲区，提供顺序访问和随机访问。
Netty4中将ByteBuf调整为抽象类，从而提升吞吐量。

1.ByteBuffer
先了解一下ByteBuffer，ByteBuffer是JVM提供的字节内存缓冲区。ByteBuf是在ByteBuffer上进行的扩展，底层还是使用ByteBuffer。

ByteBuffer有两个子类，DirectByteBuffer和HeapByteBuffer。
HeapByteBuffer使用ByteBuffer#hb（byte[]）存储数据。
DirectByteBuffer是堆外内存，使用的是操作系统的直接内存，它维护了一个引用address指向了底层数据，从而操作数据。（并没有使用ByteBuffer#buff）

Buffer核心属性

int position; //当前操作位置。
int mark;     //为某一读过的位置做标记，便于某些时候回退到该位置。
int capacity; //初始化时候的容量。
int limit;    // 读写的限制位置，读写超出该位置会报错

读写操作都是基于position，并以limit为限制的。mark，position，limit，capacity关系如下

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

ByteBuffer提供了如下方法调整这些标志位置：

• clear
  limit = position = 0
  一般在把数据写入Buffer前调用
• flip
  limit = position
  position = 0
  一般在从Buffer读出数据前调用
• rewind
  position=0
  limit不变
  一般在把数据重写入Buffer前调用。
• compacting
  清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面

ByteBuffer还提供了一些操作缓冲区的方法

• duplicate
  创建新字节缓冲区，共享当前缓冲区内容
• slice
  创建新字节缓冲区，共享当前缓冲区内容子序列。

Netty的ByteBuf使用readerIndex标志读位置，writerIndex标志写位置，比(jvm)ByteBuffer设计更优雅。

  +-------------------+------------------+------------------+
  | discardable bytes |  readable bytes  |  writable bytes  |
  |                   |     (CONTENT)    |                  |
  +-------------------+------------------+------------------+
  |                   |                  |                  |
  0      <=      readerIndex   <=   writerIndex    <=    capacity

ByteBuf提供readerIndex/writerIndex等方法获取或设置这两个值，非常直观。另外，ByteBuf提供了如下方法操作缓冲区

• discardReadBytes
  清除已经读过的数据。未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面

• duplicate
  创建新字节缓冲区，共享当前缓冲区内容

• slice(int index, int length)
  创建共享内存的ByteBuf，从index开始，长度为length

• readSlice(int length)
  创建共享内存的ByteBuf，从readerIndex开始，长度为length

• retainedDuplicate()
  创建共享内存的ByteBuf，并且当前ByteBuf的引用计数加1

2.接口关系

AbstractByteBuf：实现一些公共逻辑，如读写前检查位置。
AbstractReferenceCountedByteBuf，添加引用计数逻辑，实现引用计数回收直接内存。
PooledByteBuf：实现池化ByteBuf的公共逻辑。关于Netty中的内存池后面有文章解析。
PooledByteBuf#memory是底层的内存存储，PooledDirectByteBuf该字段是ByteBuffer，PooledHeapByteBuf则是byte[]。

下面可以分为Unsafe，No_Unsafe两个维度。Unsafe就是sun.misc.Unsafe。
使用Unsafe可以提高性能，但Unsafe是JDK内部的类，并非公开标准，不一定所有JDK都存在这个类， JDK以后也有可能去掉这个类，所以Netty提供了两套实现。

3.内存分配
后面有文章解析Netty内存池，分享Netty中如何分配内存给ByteBuf。这里先不深入。

4.读写过程
下面看一下ByteBuf与Channel如何交互数据。
前面分享Netty读写过程的文章说过了，NioByteUnsafe#read方法读取数据。

NioByteUnsafe#read -> NioSocketChannel#doReadBytes -> AbstractByteBuf#writeBytes -> PooledByteBuf#setBytes

public final int setBytes(int index, ScatteringByteChannel in, int length) throws IOException {
    try {
        return in.read(internalNioBuffer(index, length));
    } catch (ClosedChannelException ignored) {
        return -1;
    }
}

index参数就是writerIndex，internalNioBuffer方法会构造一个新的ByteBuffer，并设置ByteBuffer#position为index
直接调用ReadableByteChannel#read读取数据

在《ChannelOutboundBuffer与flush操作》中已经分享过，
ChannelOutboundBuffer#nioBuffers也是通过internalNioBuffer方法生成ByteBuffer，
作为参数调用NioSocketChannel#doWrite方法，直接将数据拷贝到Channel。
ByteBuf#internalNioBuffer -> PooledByteBuf#_internalNioBuffer

  final ByteBuffer _internalNioBuffer(int index, int length, boolean duplicate) {
      index = idx(index);
      ByteBuffer buffer = duplicate ? newInternalNioBuffer(memory) : internalNioBuffer();
      buffer.limit(index + length).position(index);
      return buffer;
  }

newInternalNioBuffer由子类实现，构建对应的DirectByteBuffer或者HeapByteBuffer，注意，这里的内存是共享的。

5.引用计数
由于使用了直接内存，不能依赖JVM垃圾回收器释放内存，Netty使用引用计数算法释放内存。

ReferenceCounted接口，代表需要显式释放的引用计数对象，retain方法增加引用计数，release方法减少引用计数。

AbstractReferenceCountedByteBuf实现了ReferenceCounted接口，它维护了refCnt变量作为引用计数。
构造一个AbstractReferenceCountedByteBuf时，refCnt为1。
当引用计数release到0时，调用deallocate()方法释放内存。

PooledByteBuf#deallocate

protected final void deallocate() {
    if (handle >= 0) {
        final long handle = this.handle;
        this.handle = -1;
        memory = null;
        tmpNioBuf = null;
        chunk.arena.free(chunk, handle, maxLength, cache);
        chunk = null;
        recycle();
    }
}

这里调用的是PoolArena#free。
PoolArena可以理解为一个内存池，这里free实际是将内存放回内存池中，由内存池决定是否需要销毁底层直接内存。
PoolArena后面有对应文章解析。

6.内存销毁
销毁DirectByteBuf，有两个方式
利用反射获取Unsafe，调用Unsafe#freeMemory
利用反射获取DirectByteBuffer#cleaner(sun.misc.Cleaner)，通过反射调用cleaner#clean方法
因为Netty不确认JDK中是否存在sun.misc.Cleaner，所以它也实现了两套机制。

PoolArenaDirect#free -> Arena#destroyChunk

protected void destroyChunk(PoolChunk<ByteBuffer> chunk) {
    if (PlatformDependent.useDirectBufferNoCleaner()) {
        PlatformDependent.freeDirectNoCleaner(chunk.memory);
    } else {
        PlatformDependent.freeDirectBuffer(chunk.memory);
    }
}

从PlatformDependent中确认是否使用CLEANER

if (maxDirectMemory == 0 || !hasUnsafe() || !PlatformDependent0.hasDirectBufferNoCleanerConstructor()) {
    USE_DIRECT_BUFFER_NO_CLEANER = false;
    DIRECT_MEMORY_COUNTER = null;
}

满足以下条件中一个就使用CLEANER，否则使用NO_CLEANER

1. 没有使用直接内存
2. JVM不支持Unsafe
3. ByteBuffer不存在无Cleaner的构造函数

如果您觉得本文不错，欢迎关注我的微信公众号。您的关注是我坚持的动力！