title: Netty的ByteBuf
top: false
cover: false
toc: true
mathjax: true
tags:
- Netty
- ByteBuf
categories: - Netty
date: 2022-08-15 19:20:11
summary:
前言
最近面试的时候，面试官问了一些关于netty内存泄漏的问题，虽然之前学过netty，但是长时间不看了还是忘了很多，听到这个问题的时候直接懵逼了，现在回来回顾总结一些关于ByteBuf的一些知识
ByteBuf
前置：创建一个util类，新建一个调试工具方法
private static void log(ByteBuf buffer) {
int length = buffer.readableBytes();
int rows = length / 16 + (length % 15 == 0 ? 0 : 1) + 4;
StringBuilder buf = new StringBuilder(rows * 80 * 2)
.append("read index:").append(buffer.readerIndex())
.append(" write index:").append(buffer.writerIndex())
.append(" capacity:").append(buffer.capacity())
.append(NEWLINE);
appendPrettyHexDump(buf, buffer);
System.out.println(buf.toString());
}该方法可以帮助我们更为详细地查看ByteBuf中的内容
创建
public class ByteBufStudy {
public static void main(String[] args) {
// 创建ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16);
ByteBufUtil.log(buffer);
// 向buffer中写入数据
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for(int i = 0; i < 20; i++) {
sb.append("a");
}
buffer.writeBytes(sb.toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 查看写入结果
ByteBufUtil.log(buffer);
}
}运行结果
read index:0 write index:0 capacity:16
read index:0 write index:20 capacity:64
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 |aaaaaaaaaaaaaaaa|
|00000010| 61 61 61 61 |aaaa |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+ByteBuf通过ByteBufAllocator选择allocator并调用对应的buffer()方法来创建的，默认使用直接内存作为ByteBuf，容量为256个字节，可以指定初始容量的大小
当ByteBuf的容量无法容纳所有数据时，ByteBuf会进行扩容操作
如果在handler中创建ByteBuf，建议使用ChannelHandlerContext ctx.alloc().buffer()来创建
直接内存与堆内存
通过该方法创建的ByteBuf，使用的是基于直接内存的ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16);可以使用下面的代码来创建池化基于堆的 ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(16);也可以使用下面的代码来创建池化基于直接内存的 ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(16);- 直接内存创建和销毁的代价昂贵，但读写性能高（少一次内存复制），适合配合池化功能一起用
- 直接内存对 GC 压力小，因为这部分内存不受 JVM 垃圾回收的管理，但也要注意及时主动释放
验证
public class ByteBufStudy {
public static void main(String[] args) {
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16);
System.out.println(buffer.getClass());
buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(16);
System.out.println(buffer.getClass());
buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(16);
System.out.println(buffer.getClass());
}
}Copy
// 使用池化的直接内存
class io.netty.buffer.PooledUnsafeDirectByteBuf
// 使用池化的堆内存
class io.netty.buffer.PooledUnsafeHeapByteBuf
// 使用池化的直接内存
class io.netty.buffer.PooledUnsafeDirectByteBuf池化与非池化
池化的最大意义在于可以重用 ByteBuf，优点有
- 没有池化，则每次都得创建新的 ByteBuf 实例，这个操作对直接内存代价昂贵，就算是堆内存，也会增加 GC 压力
- 有了池化，则可以重用池中 ByteBuf 实例，并且采用了与 jemalloc 类似的内存分配算法提升分配效率
- 高并发时，池化功能更节约内存，减少内存溢出的可能
池化功能是否开启，可以通过下面的系统环境变量来设置
-Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}- 4.1 以后，非 Android 平台默认启用池化实现，Android 平台启用非池化实现
- 4.1 之前，池化功能还不成熟，默认是非池化实现
组成
ByteBuf主要有以下几个组成部分
最大容量与当前容量
- 在构造ByteBuf时，可传入两个参数，分别代表初始容量和最大容量，若未传入第二个参数（最大容量），最大容量默认为Integer.MAX_VALUE
- 当ByteBuf容量无法容纳所有数据时，会进行扩容操作，若超出最大容量，会抛出
java.lang.IndexOutOfBoundsException异常
读写操作不同于ByteBuffer只用position进行控制，
ByteBuf分别由读指针和写指针两个指针控制
。进行读写操作时，无需进行模式的切换
- 读指针前的部分被称为废弃部分，是已经读过的内容
- 读指针与写指针之间的空间称为可读部分
- 写指针与当前容量之间的空间称为可写部分
写入
常用方法如下
| 方法签名 | 含义 | 备注 |
|---|---|---|
| writeBoolean(boolean value) | 写入 boolean 值 | 用一字节 01|00 代表 true|false |
| writeByte(int value) | 写入 byte 值 | |
| writeShort(int value) | 写入 short 值 | |
| writeInt(int value) | 写入 int 值 | Big Endian（大端写入），即 0x250，写入后 00 00 02 50 |
| writeIntLE(int value) | 写入 int 值 | Little Endian（小端写入），即 0x250，写入后 50 02 00 00 |
| writeLong(long value) | 写入 long 值 | |
| writeChar(int value) | 写入 char 值 | |
| writeFloat(float value) | 写入 float 值 | |
| writeDouble(double value) | 写入 double 值 | |
| writeBytes(ByteBuf src) | 写入 netty 的 ByteBuf | |
| writeBytes(byte[] src) | 写入 byte[] | |
| writeBytes(ByteBuffer src) | 写入 nio 的 ByteBuffer | |
| int writeCharSequence(CharSequence sequence, Charset charset) | 写入字符串 | CharSequence为字符串类的父类，第二个参数为对应的字符集 |
注意
- 这些方法的未指明返回值的，其返回值都是 ByteBuf，意味着可以链式调用来写入不同的数据
- 网络传输中，默认习惯是 Big Endian，使用 writeInt(int value)
使用方法
public class ByteBufStudy {
public static void main(String[] args) {
// 创建ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16, 20);
ByteBufUtil.log(buffer);
// 向buffer中写入数据
buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
ByteBufUtil.log(buffer);
buffer.writeInt(5);
ByteBufUtil.log(buffer);
buffer.writeIntLE(6);
ByteBufUtil.log(buffer);
buffer.writeLong(7);
ByteBufUtil.log(buffer);
}
}运行结果
read index:0 write index:0 capacity:16
read index:0 write index:4 capacity:16
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 |.... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
read index:0 write index:8 capacity:16
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 |........ |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
read index:0 write index:12 capacity:16
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 06 00 00 00 |............ |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
read index:0 write index:20 capacity:20
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 06 00 00 00 00 00 00 00 |................|
|00000010| 00 00 00 07 |.... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+还有一类方法是 set 开头的一系列方法，也可以写入数据，但不会改变写指针位置
扩容
当ByteBuf中的容量无法容纳写入的数据时，会进行扩容操作
buffer.writeLong(7);
ByteBufUtil.log(buffer);// 扩容前
read index:0 write index:12 capacity:16
...
// 扩容后
read index:0 write index:20 capacity:20
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 06 00 00 00 00 00 00 00 |................|
|00000010| 00 00 00 07 |.... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+扩容规则
如何写入后数据大小未超过 512 字节，则选择下一个 16 的整数倍进行扩容
- 例如写入后大小为 12 字节，则扩容后 capacity 是 16 字节
如果写入后数据大小超过 512 字节，则选择下一个 2
n
- 例如写入后大小为 513 字节，则扩容后 capacity 是 210=1024 字节（29=512 已经不够了）
扩容不能超过 maxCapacity，否则会抛出
java.lang.IndexOutOfBoundsException异常
Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: writerIndex(20) + minWritableBytes(8) exceeds maxCapacity(20): PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 20, cap: 20/20)
...Copy读取
读取主要是通过一系列read方法进行读取，读取时会根据读取数据的字节数移动读指针
如果需要重复读取，需要调用buffer.markReaderIndex()对读指针进行标记，并通过buffer.resetReaderIndex()将读指针恢复到mark标记的位置
public class ByteBufStudy {
public static void main(String[] args) {
// 创建ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16, 20);
// 向buffer中写入数据
buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
buffer.writeInt(5);
// 读取4个字节
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
ByteBufUtil.log(buffer);
// 通过mark与reset实现重复读取
buffer.markReaderIndex();
System.out.println(buffer.readInt());
ByteBufUtil.log(buffer);
// 恢复到mark标记处
buffer.resetReaderIndex();
ByteBufUtil.log(buffer);
}
}
1
2
3
4
read index:4 write index:8 capacity:16
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 |.... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
5
read index:8 write index:8 capacity:16
read index:4 write index:8 capacity:16
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 |.... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+还有以 get 开头的一系列方法，这些方法不会改变读指针的位置
释放
由于 Netty 中有堆外内存（直接内存）的 ByteBuf 实现，堆外内存最好是手动来释放，而不是等 GC 垃圾回收。
UnpooledHeapByteBuf使用的是 JVM 内存，只需等 GC 回收内存即可UnpooledDirectByteBuf使用的就是直接内存了，需要特殊的方法来回收内存PooledByteBuf和它的子类使用了池化机制，需要更复杂的规则来回收内存
Netty 这里采用了引用计数法来控制回收内存，每个 ByteBuf 都实现了 ReferenceCounted 接口
- 每个 ByteBuf 对象的初始计数为 1
- 调用
release方法计数减 1，如果计数为 0，ByteBuf 内存被回收 - 调用
retain方法计数加 1，表示调用者没用完之前，其它 handler 即使调用了 release 也不会造成回收 - 当计数为 0 时，底层内存会被回收，这时即使 ByteBuf 对象还在，其各个方法均无法正常使用
释放规则
因为 pipeline 的存在，一般需要将 ByteBuf 传递给下一个 ChannelHandler，如果在每个 ChannelHandler 中都去调用 release ，就失去了传递性（如果在这个 ChannelHandler 内这个 ByteBuf 已完成了它的使命，那么便无须再传递）
基本规则是，谁是最后使用者，谁负责 release
起点，对于 NIO 实现来讲，在 io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe.read 方法中首次创建 ByteBuf 放入 pipeline（line 163 pipeline.fireChannelRead(byteBuf)）
入站 ByteBuf 处理原则
- 对原始 ByteBuf 不做处理，调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，这时无须 release
- 将原始 ByteBuf 转换为其它类型的 Java 对象，这时 ByteBuf 就没用了，必须 release
- 如果不调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，那么也必须 release
- 注意各种异常，如果 ByteBuf 没有成功传递到下一个 ChannelHandler，必须 release
- 假设消息一直向后传，那么 TailContext 会负责释放未处理消息（原始的 ByteBuf）
出站 ByteBuf 处理原则
- 出站消息最终都会转为 ByteBuf 输出，一直向前传，由 HeadContext flush 后 release
异常处理原则
有时候不清楚 ByteBuf 被引用了多少次，但又必须彻底释放，可以循环调用 release 直到返回 true
while (!buffer.release()) {}
当ByteBuf被传到了pipeline的head与tail时，ByteBuf会被其中的方法彻底释放，但前提是ByteBuf被传递到了head与tail中
TailConext中释放ByteBuf的源码
protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) {
try {
logger.debug("Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline. Please check your pipeline configuration.", msg);
} finally {
// 具体的释放方法
ReferenceCountUtil.release(msg);
}
}判断传过来的是否为ByteBuf，是的话才需要释放
public static boolean release(Object msg) {
return msg instanceof ReferenceCounted ? ((ReferenceCounted)msg).release() : false;
}切片
ByteBuf切片是【零拷贝】的体现之一，对原始 ByteBuf 进行切片成多个 ByteBuf，切片后的 ByteBuf 并没有发生内存复制，还是使用原始 ByteBuf 的内存，切片后的 ByteBuf 维护独立的 read，write 指针
得到分片后的buffer后，要调用其retain方法，使其内部的引用计数加一。避免原ByteBuf释放，导致切片buffer无法使用
修改原ByteBuf中的值，也会影响切片后得到的ByteBuf
public class TestSlice {
public static void main(String[] args) {
// 创建ByteBuf
ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(16, 20);
// 向buffer中写入数据
buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10});
// 将buffer分成两部分
ByteBuf slice1 = buffer.slice(0, 5);
ByteBuf slice2 = buffer.slice(5, 5);
// 需要让分片的buffer引用计数加一
// 避免原Buffer释放导致分片buffer无法使用
slice1.retain();
slice2.retain();
ByteBufUtil.log(slice1);
ByteBufUtil.log(slice2);
// 更改原始buffer中的值
System.out.println("===========修改原buffer中的值===========");
buffer.setByte(0,5);
System.out.println("===========打印slice1===========");
ByteBufUtil.log(slice1);
}
}运行结果
read index:0 write index:5 capacity:5
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 |..... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
read index:0 write index:5 capacity:5
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 06 07 08 09 0a |..... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
===========修改原buffer中的值===========
===========打印slice1===========
read index:0 write index:5 capacity:5
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 05 02 03 04 05 |..... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+优势
- 池化思想 - 可以重用池中 ByteBuf 实例，更节约内存，减少内存溢出的可能
- 读写指针分离，不需要像 ByteBuffer 一样切换读写模式
- 可以自动扩容
- 支持链式调用，使用更流畅
- 很多地方体现零拷贝，例如
- slice、duplicate、CompositeByteBuf
内存泄漏问题
回到一开始时候面试官的内存泄漏问题，其实简单来说主要就是ByteBuf的引用计数带来的问题，因为这个引用计数需要手动实现增加与减少，只有计数为0的时候才能将内存还回到内存池中，这样如果程序中没有主要到计数的release（），就容易导致出现内存泄漏了