在Netty中，還有另外一個比較常見的物件ByteBuf，它其實等同于Java Nio中的ByteBuffer，但是ByteBuf對Nio中的ByteBuffer的功能做了很作增強，下面我們來簡單了解一下ByteBuf，

下面這段代碼演示了ByteBuf的創建以及內容的列印，這里顯示出了和普通ByteBuffer最大的區別之一，就是ByteBuf可以自動擴容，默認長度是256，如果內容長度超過閾值時，會自動觸發擴容

public class ByteBufExample {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();//可自動擴容
        log(buf);
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 32; i++) {  //演示的時候，可以把回圈的值擴大，就能看到擴容效果
            sb.append(" - "+i);
        }
        buf.writeBytes(sb.toString().getBytes());
        log(buf);
    }

    private static void log(ByteBuf buf){
        StringBuilder builder=new StringBuilder()
            .append(" read index:").append(buf.readerIndex()) //獲取讀索引
            .append(" write index:").append(buf.writerIndex()) //獲取寫索引
            .append(" capacity:").append(buf.capacity()) //獲取容量
            .append(StringUtil.NEWLINE);
        //把ByteBuf中的內容，dump到StringBuilder中
        ByteBufUtil.appendPrettyHexDump(builder,buf);
        System.out.println(builder.toString());
    }
}

ByteBuf創建的方法有兩種

第一種，創建基于堆記憶體的ByteBuf

ByteBuf buffer=ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(10);

第二種，創建基于直接記憶體（堆外記憶體）的ByteBuf（默認情況下用的是這種）

Java中的記憶體分為兩個部分，一部分是不需要jvm管理的直接記憶體，也被稱為堆外記憶體，堆外記憶體就是把記憶體物件分配在JVM堆意外的記憶體區域，這部分記憶體不是虛擬機管理，而是由作業系統來管理，這樣可以減少垃圾回收對應用程式的影響
```
ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);
```
直接記憶體的好處是讀寫性能會高一些，如果資料存放在堆中，此時需要把Java堆空間的資料發送到遠程服務器，首先需要把堆內部的資料拷貝到直接記憶體（堆外記憶體），然后再發送，如果是把資料直接存盤到堆外記憶體中，發送的時候就少了一個復制步驟，

但是它也有缺點，由于缺少了JVM的記憶體管理，所以需要我們自己來維護堆外記憶體，防止記憶體溢位，

另外，需要注意的是，ByteBuf默認采用了池化技術來創建，關于池化技術在前面的課程中已經重復講過，它的核心思想是實作物件的復用，從而減少物件頻繁創建銷毀帶來的性能開銷，

池化功能是否開啟，可以通過下面的環境變數來控制，其中unpooled表示不開啟，

-Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}

public class NettyByteBufExample {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        System.out.println(buf);
    }
}

ByteBuf的存盤結構

ByteBuf的存盤結構如圖3-1所示，從這個圖中可以看到ByteBuf其實是一個位元組容器，該容器中包含三個部分

已經丟棄的位元組，這部分資料是無效的
可讀位元組，這部分資料是ByteBuf的主體資料，從ByteBuf里面讀取的資料都來自這部分；可寫位元組，所有寫到ByteBuf的資料都會存盤到這一段
可擴容位元組，表示ByteBuf最多還能擴容多少容量，

圖3-1

在ByteBuf中，有兩個指標

readerIndex：讀指標，每讀取一個位元組，readerIndex自增加1，ByteBuf里面總共有witeIndex-readerIndex個位元組可讀，當readerIndex和writeIndex相等的時候，ByteBuf不可讀
writeIndex：寫指標，每寫入一個位元組，writeIndex自增加1，直到增加到capacity后，可以觸發擴容后繼續寫入，
ByteBuf中還有一個maxCapacity最大容量，默認的值是Integer.MAX_VALUE，當ByteBuf寫入資料時，如果容量不足時，會觸發擴容，直到capacity擴容到maxCapacity，

ByteBuf中常用的方法

對于ByteBuf來說，常見的方法就是寫入和讀取

Write相關方法

對于write方法來說，ByteBuf提供了針對各種不同資料型別的寫入，比如

writeChar，寫入char型別
writeInt，寫入int型別
writeFloat，寫入float型別
writeBytes，寫入nio的ByteBuffer
writeCharSequence，寫入字串

public class ByteBufExample {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer();//可自動擴容
        buf.writeBytes(new byte[]{1,2,3,4}); //寫入四個位元組
        log(buf);  
        buf.writeInt(5);  //寫入一個int型別，也是4個位元組
        log(buf);
    }
    private static void log(ByteBuf buf){
        System.out.println(buf);
        StringBuilder builder=new StringBuilder()
                .append(" read index:").append(buf.readerIndex())
                .append(" write index:").append(buf.writerIndex())
                .append(" capacity:").append(buf.capacity())
                .append(StringUtil.NEWLINE);
        //把ByteBuf中的內容，dump到StringBuilder中
        ByteBufUtil.appendPrettyHexDump(builder,buf);
        System.out.println(builder.toString());
    }
}

擴容

當向ByteBuf寫入資料時，發現容量不足時，會觸發擴容，而具體的擴容規則是

假設ByteBuf初始容量是10，

如果寫入后資料大小未超過512個位元組，則選擇下一個16的整數倍進行庫容，比如寫入資料后大小為12，則擴容后的capacity是16，
如果寫入后資料大小超過512個位元組，則選擇下一個2ⁿ，比如寫入后大小是512位元組，則擴容后的capacity是2¹⁰=1024 ，（因為2⁹=512，長度已經不夠了）
擴容不能超過max capacity，否則會報錯，

Reader相關方法

reader方法也同樣針對不同資料型別提供了不同的操作方法，

readByte ，讀取單個位元組
readInt ，讀取一個int型別
readFloat ，讀取一個float型別

public class ByteBufExample {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer();//可自動擴容
        buf.writeBytes(new byte[]{1,2,3,4});
        log(buf);
        System.out.println(buf.readByte());
        log(buf);
    }
    private static void log(ByteBuf buf){
        StringBuilder builder=new StringBuilder()
            .append(" read index:").append(buf.readerIndex())
            .append(" write index:").append(buf.writerIndex())
            .append(" capacity:").append(buf.capacity())
            .append(StringUtil.NEWLINE);
        //把ByteBuf中的內容，dump到StringBuilder中
        ByteBufUtil.appendPrettyHexDump(builder,buf);
        System.out.println(builder.toString());
    }
}

從下面結果中可以看到，讀完一個位元組后，這個位元組就變成了廢棄部分，再次讀取的時候只能讀取未讀取的部分資料，

read index:0 write index:7 capacity:256
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 06 07                            |.......         |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
1
 read index:1 write index:7 capacity:256
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 02 03 04 05 06 07                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

另外，如果想重復讀取哪些已經讀完的資料，這里提供了兩個方法來實作標記和重置

public static void main(String[] args) {
    ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer();//可自動擴容
    buf.writeBytes(new byte[]{1,2,3,4,5,6,7});
    log(buf);
    buf.markReaderIndex(); //標記讀取的索引位置
    System.out.println(buf.readInt());
    log(buf);
    buf.resetReaderIndex();//重置到標記位
    System.out.println(buf.readInt());
    log(buf);
}

另外，如果想不改變讀指標位置來獲得資料，在ByteBuf中提供了get開頭的方法，這個方法基于索引位置讀取，并且允許重復讀取的功能，

ByteBuf的零拷貝機制

需要說明一下，ByteBuf的零拷貝機制和我們之前提到的作業系統層面的零拷貝不同，作業系統層面的零拷貝，是我們要把一個檔案發送到遠程服務器時，需要從內核空間拷貝到用戶空間，再從用戶空間拷貝到內核空間的網卡緩沖區發送，導致拷貝次數增加，

而ByteBuf中的零拷貝思想也是相同，都是減少資料復制提升性能，如圖3-2所示，假設有一個原始ByteBuf，我們想對這個ByteBuf其中的兩個部分的資料進行操作，按照正常的思路，我們會創建兩個新的ByteBuf，然后把原始ByteBuf中的部分資料拷貝到兩個新的ByteBuf中，但是這種會涉及到資料拷貝，在并發量較大的情況下，會影響到性能，

圖3-2

ByteBuf中提供了一個slice方法，這個方法可以在不做資料拷貝的情況下對原始ByteBuf進行拆分，使用方法如下

public static void main(String[] args) {
    ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();//可自動擴容
    buf.writeBytes(new byte[]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10});
    log(buf);
    ByteBuf bb1=buf.slice(0,5);
    ByteBuf bb2=buf.slice(5,5);
    log(bb1);
    log(bb2);
    System.out.println("修改原始資料");
    buf.setByte(2, 5); //修改原始buf資料
    log(bb1);//再列印bb1的結果，發現資料發生了變化
}

在上面的代碼中，通過slice對原始buf進行切片，每個分片是5個位元組，

為了證明slice是沒有資料拷貝，我們通過修改原始buf的索引2所在的值，然后再列印第一個分片bb1，可以發現bb1的結果發生了變化，說明兩個分片和原始buf指向的資料是同一個，

Unpooled

在前面的案例中我們經常用到Unpooled工具類，它是同了非池化的ByteBuf的創建、組合、復制等操作，

假設有一個協議資料，它有頭部和訊息體組成，這兩個部分分別放在兩個ByteBuf中

ByteBuf header=...
ByteBuf body= ...

我們希望把header和body合并成一個ByteBuf，通常的做法是

ByteBuf allBuf=Unpooled.buffer(header.readableBytes()+body.readableBytes());
allBuf.writeBytes(header);
allBuf.writeBytes(body);

在這個程序中，我們把header和body拷貝到了新的allBuf中，這個程序在無形中增加了兩次資料拷貝操作，那有沒有更高效的方法減少拷貝次數來達到相同目的呢？

在Netty中，提供了一個CompositeByteBuf組件，它提供了這個功能，

public class ByteBufExample {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuf header= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();//可自動擴容
        header.writeCharSequence("header", CharsetUtil.UTF_8);
        ByteBuf body=ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        body.writeCharSequence("body", CharsetUtil.UTF_8);
        CompositeByteBuf compositeByteBuf=Unpooled.compositeBuffer();
        //其中第一個引數是 true, 表示當添加新的 ByteBuf 時, 自動遞增 CompositeByteBuf 的 writeIndex.
        //默認是false，也就是writeIndex=0，這樣的話我們不可能從compositeByteBuf中讀取到資料，
        compositeByteBuf.addComponents(true,header,body);
        log(compositeByteBuf);
    }
    private static void log(ByteBuf buf){
        StringBuilder builder=new StringBuilder()
            .append(" read index:").append(buf.readerIndex())
            .append(" write index:").append(buf.writerIndex())
            .append(" capacity:").append(buf.capacity())
            .append(StringUtil.NEWLINE);
        //把ByteBuf中的內容，dump到StringBuilder中
        ByteBufUtil.appendPrettyHexDump(builder,buf);
        System.out.println(builder.toString());
    }
}

之所以CompositeByteBuf能夠實作零拷貝，是因為在組合header和body時，并沒有對這兩個資料進行復制，而是通過CompositeByteBuf構建了一個邏輯整體，里面仍然是兩個真實物件，也就是有一個指標指向了同一個物件，所以這里類似于淺拷貝的實作，

wrappedBuffer

在Unpooled工具類中，提供了一個wrappedBuffer方法，來實作CompositeByteBuf零拷貝功能，使用方法如下，

public static void main(String[] args) {
    ByteBuf header= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();//可自動擴容
    header.writeCharSequence("header", CharsetUtil.UTF_8);
    ByteBuf body=ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    body.writeCharSequence("body", CharsetUtil.UTF_8);
    ByteBuf allBb=Unpooled.wrappedBuffer(header,body);
    log(allBb);
    //對于零拷貝機制，修改原始ByteBuf中的值，會影響到allBb
    header.setCharSequence(0,"Newer0",CharsetUtil.UTF_8);
    log(allBb); 
}

copiedBuffer

copiedBuffer，和wrappedBuffer最大的區別是，該方法會實作資料復制，下面代碼演示了copiedBuffer和wrappedbuffer的區別，可以看到在case標注的位置中，修改了原始ByteBuf的值，并沒有影響到allBb，

public static void main(String[] args) {
    ByteBuf header= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();//可自動擴容
    header.writeCharSequence("header", CharsetUtil.UTF_8);
    ByteBuf body=ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    body.writeCharSequence("body", CharsetUtil.UTF_8);
    ByteBuf allBb=Unpooled.copiedBuffer(header,body);
    log(allBb);
    header.setCharSequence(0,"Newer0",CharsetUtil.UTF_8); //case
    log(allBb);
}

記憶體釋放

針對不同的ByteBuf創建，記憶體釋放的方法不同，

UnpooledHeapByteBuf，使用JVM記憶體，只需要等待GC回收即可
UnpooledDirectByteBuf，使用對外記憶體，需要特殊方法來回收記憶體
PooledByteBuf和它的之類使用了池化機制，需要更復雜的規則來回收記憶體

如果ByteBuf是使用堆外記憶體來創建，那么盡量手動釋放記憶體，那怎么釋放呢？

Netty采用了參考計數方法來控制記憶體回收，每個ByteBuf都實作了ReferenceCounted介面，

每個ByteBuf物件的初始計數為1
呼叫release方法時，計數器減一，如果計數器為0，ByteBuf被回收
呼叫retain方法時，計數器加一，表示呼叫者沒用完之前，其他handler即時呼叫了release也不會造成回收，
當計數器為0時，底層記憶體會被回收，這時即使ByteBuf物件還存在，但是它的各個方法都無法正常使用

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標籤：Java

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BAT面試必問細節：關于Netty中的ByteBuf詳解