Netty学习之旅------第3篇---ByteBuf解读

• 1. JDK ByteBuffer
• • 1.1 长度固定
  • 1.2 操作复杂
  • 1.3 API 不丰富
• 2. ByteBuf 的设计
• • 2.1 引入writeIndex 和 readerIndex
  • 2.2 扩容
• 3. ByteBuf 功能介绍
• • 3.1 顺序读写
  • • 3.1.2 顺序读
    • 3.1.2 顺序写
  • 3.2 随机读写
  • • 3.2.1 随机读
    • 3.2.2 随机写
  • 3.3 readerIndex和writeIndex
  • 3.4 discardable bytes、readable bytes 和 writeable bytes
  • 3.5 clear mark 和 reset
  • • 3.5.1 clear 方法
    • 3.5.2 mark 方法和reset 方法
  • 3.6 转成 JDK 的ByteBuffer
• 4 总结

温馨提示：内容局限于本人的理解，如果有错误，请指正，谢谢！

学习目标：

（1）了解JDK 的ByteBuffer 的局限性

（2）了解ByteBuf的设计思想

（3）了解ByteBuf的API

1. JDK ByteBuffer

前面章节，我们学习了NIO的缓冲区，当我们要进行数据传输的时候，往往需要用到缓冲区，常用的缓冲区就是JDK 的 ByteBuffer，也还有其它的缓冲区，针对不同的数据类型，都有不同的缓冲区。但NIO 编程很复杂，JDK 的ByteBuffer 也有其局限性，总结如下：

1.1 长度固定

在初始缓冲区的时候，需要指定长度，长度一旦固定，将不能修改。不能缩容和扩容，如果存储对象，错误的预估了对象的大小，将导致索引越界异常。

1.2 操作复杂

JDK ByteBuffer的API使用起来不方便，比如要把一个缓冲区由写状态变成读状态，还需要通过flip方法，翻转缓冲区。开发人员必须小心的使用这些API,极容易出错。下面通过案例来看下flip方法：在缓冲区中，读写是通过position和limit来控制的，当写入的时候，初始的position=0，limit=可写的最大长度，当写入一个内容，

+---------------------------------------------------------+
       |                                                         |  
       +---------------------------------------------------------+
       |                                                         |    
       0=position                                               limit ==capacity
           

当我写入一个字符’H’,就改变成下图了

+---------------------------------------------------------+
       |H|                                                       |  
       +-+-------------------------------------------------------+
       |                                                         |    
       0  < position                                       limit ==capacity
           

此时position=1了。如果我要读取这个缓冲区中的内容，需要做翻转，否则读取到的就是position到limit直接的空数据。调用flip后

+---------------------------------------------------------+
       |H|                                                       |  
       +-+-------------------------------------------------------+
       |                                                         |    
       0=position limit=1                                       capacity
           

翻转的操作其实就是做了：limit = position；position=0 ，这样读取，position到limit的内容，才是我们想要的内容。

1.3 API 不丰富

很多的api也不支持，如果要实现某些功能，还需要开发人员自己编程实现

2. ByteBuf 的设计

注意这个是netty的类了，类名不一样。这个是对于JDK ByteBuffer 的局限性来设计的。那它是怎么缩容和扩容，和flip类似的操作的呢？带着疑问，继续往下看。

2.1 引入writeIndex 和 readerIndex

为了避免复杂的position和limit的关系，这里引入了writeIndex 和 readerIndex，看名字就知道，这是一个读的索引和写的索引。内部的结构是这样的。

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

这里的区域简单介绍下：

discardable bytes：表示已经读取，可以丢弃的区域。

readable bytes：是还未读取，已存内容的区域。

writable bytes： 是可写入的内容的区域

当往ByteBuf 写入的时候，writeIndex增加，读取的时候会推动readerIndex增加，比如我读取一个调用writeInt(int value)方法，写入一个int 类型的值，writeIndex会在原理基础上增加int的字节长度，即writeIndex=writeIndex+4；如果调用readInt()，会在readerIndex的基础上减少int的字节长度，即readerIndex=readerIndex-4，其它的API也类似。

这是里面一个永恒的关系：

0      <=      readerIndex   <=   writerIndex    <=    capacity
           

2.2 扩容

JDK的ByteBuffer 容量是固定的，如果存储的数据超过容量，会抛出异常，因此ByteBuf中引入了扩容机制，在写入的时候，进行容量判断，如果容纳不下，则按照一定比例进行扩容。

3. ByteBuf 功能介绍

3.1 顺序读写

3.1.2 顺序读

顺序读是read开头的方法，相当于JDK ByteBuffer 中的get操作。具体的API 如下图所示

比如

readByte就是从readerIndex开始读字节，读完readerIndex++，返回byte类型；

readInt就是从readerIndex开始读整型，读完readerIndex=readerIndex+4，返回整形。

3.1.2 顺序写

顺序读是write开头的方法，相当于JDK ByteBuffer 中的put操作。具体的API 如下图所示

比如

writeBytes(ByteBuf src) 是从writeIndex开始写，把src中的数据都写入到当前缓冲区，写完writeIndex=writeIndex+readableBytes，如果src缓冲区的可读字节数大于当前缓冲区可写的字节数，将抛出IndexOutOfBoundsException异常。

writeZero(int length) 是将当前缓冲区填充为NUL（0x00），length是填充的长度，填充后writeIndex=writeIndex+length

3.2 随机读写

随机读写的API都会判断index是否合法，如果不合法，直接抛出IndexOutOfBoundsException异常。

3.2.1 随机读

以get开头的方法，都提供了根据index来读操作的API

3.2.2 随机写

以set开头的方法，都提供了根据index来写操作的API

3.3 readerIndex和writeIndex

readerIndex 维护了读索引，往缓冲区读数据的时候，readerIndex会根据你读取的长度增加。

writeIndex 维护了写索引，往缓冲区写数据的时候，writeIndex会根据你写入的长度增加，引入这2个，大大降低了缓冲区的复杂度。

0 <= readerIndex <= writerIndex <= capacity

0到readerIndex 表示已经读取过的缓冲区

readerIndex到writerIndex表示未读取过的缓冲区

writerIndex到capacity表示还可以写入的缓冲区

3.4 discardable bytes、readable bytes 和 writeable bytes

discardable bytes 表示已经读取过，可以释放的区域。但是此方法是以时间换空间的操作。原因是调用discardable byte 会导致字节数组的内存复制。

例如：下图展示了写入了一部分数据的缓冲区，

调用前

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

调用discardReadBytes方法后：

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

等于把discardable bytes区域的释放掉，然后把readable bytes移动到discardable bytes释放出来的区域，然后可写入的区域就变大了。所以discardable bytes要慎用。

3.5 clear mark 和 reset

3.5.1 clear 方法

clear方法是把readerIndex和writeIndex重置为0，并不会情况缓冲区内容，调用后全部区域变成可写状态。

*      +---------------------------------------------------------+
 *      |                    writable bytes                       |
 *      |                                                         |
 *      +---------------------------------------------------------+
 *      |                                                         |
 *      0=readerIndex=writerIndex                            capacity
           

3.5.2 mark 方法和reset 方法

mark方法其实就是备份readerIndex、writerIndex的值，reset就是还原到mark备份的值，例如有些操作需要回滚，就可以根据mark标记过的位置，调用reset回滚，在ByteBuf中，对应的有2个mark方法和2个reset方法，分别是：markReaderIndex和markWriterIndex、resetReaderIndex和resetWriterIndex。

3.6 转成 JDK 的ByteBuffer

netty 提供了nioBuffer相关方法转成NIO 的ByteBuffer

4 总结

通过对ByteBuf的分析，我们知道其实ByteBuf是在ByteBuffer的局限性而设计的。简化了开发人员的学习成本，并且定义了顶层的api接口，后续将会对其一些实现类进行具体的分析。