Netty中ByteBuf的数据结构

ByteBuf是Netty中最重要、最基础的数据结构，所有通过网络传输的数据都是用ByteBuf进行读写的。ByteBuf封装了Java NIO中的ByteBuffer类，所以其底层是通过ByteBuffer实现的，但同时解决了其扩展困难、操作复杂和无法扩容的问题。

ByteBuf维护了两个指针和三个区域，两个指针是读索引（readIndex）和写索引（writeIndex），三个区域是可丢弃字节区（discardable bytes）、可读字节区（readable bytes）和可写字节区（writable bytes）。其示意图如下所示。

在上图中，0表示ByteBuf维护内存区域的起始位置，capacity表示ByteBuf维护内存区域的最大容量（可扩展），readIndex和writeIndex在0和capacity之间移动，如果任何一个操作导致readIndex和writeIndex小于0或大于capacity，则会报IndexOutOfBoundsException异常。

有了基本的数据结构，那么当ByteBuf在操作读、写、扩容和回收时，指针和数据区域是如何变化的呢？

读操作

当执行ByteBuf的readXxx()方法的时候，主要操作的是readIndex指针，此时每读一个字节，readIndex指针会向右移动一位，直到等于writeIndex。此时readable bytes区域会逐渐缩小以至消失，discardable bytes区域会逐渐扩大至writeIndex的位置，表示ByteBuf中的数据已读完。其示意图如下。

如果任何一个操作导致readIndex大于writeIndex，则会报IndexOutOfBoundsException异常。

写操作

当执行ByteBuf的writeXxx()方法的时候，主要操作的是writeIndex指针，此时每写一个字节，writeIndex指针会向右移动一位，直到等于capacity，如果仍有待写入内容，则会触发ByteBuf的扩容机制。此时writable bytes区域会缩小以至消失，readable bytes区域会逐渐扩大至capacity的位置，表示ByteBuf的数据写入完毕。其示意图如下。

扩容

ByteBuf的扩容发生在写操作的时候，此时不仅writeIndex会向右移动（在新数据结构中），capacity也会向右移动（在新数据结构中），直到数据全部写完。扩容操作涉及到扩容策略和数据的拷贝，具体策略后面专文分析。其示意图如下。

回收

随着discardable bytes区域的扩大，如果不能及时回收，会造成内存的浪费。ByteBuf的回收需要先对数据进行拷贝，然后再重置索引。数据拷贝用的方法是ByteBuf的setBytes方法，将readable bytes中的数据拷贝至缓存区的起始位置，然后将readIndex设置为0，writeIndex设置为writeIndex-readIndex。其示意图如下。

ByteBuf的实现类

上面介绍了ByteBuf的基本操作原理，要知道ByteBuf是个接口类，具体操作还需要通过具体的实现类来实现。按内存分配和内存回收的方式不同，有四个实现类：UnpooledHeapByteBuf、PooledHeapByteBuf、UnpooledDirectByteBuf、PooledDirectByteBuf。

• PooledHeapByteBuf

  基于对象池的堆内存ByteBuf，内存分配时可重用对象池中的ByteBuf对象，可以提升内存的使用效率，降低由于高负载导致的频繁GC。另外其内存分配在堆上，内存的分配和回收速度快，可以被JVM自动回收；缺点是进行Socket IO时，需要将数据在堆内存和内核之间进行拷贝，IO性能会有一定下降。

• PooledDirectByteBuf

  同PooledHeapByteBuf一样，通过内存池来管理对象的创建和回收，但内存创建在堆外（即内核上），在进行Socket IO时，无需进行数据的拷贝，IO性能比PooledHeapByteBuf高。

• UnpooledHeapByteBuf

  非基于对象池的ByteBuf，即创建对象时直接new对象。其创建的对象位于堆上，与PooledHeapByteBuf相比，没有对象池的管理环节，实现起来更简单。

• UnpooledDirectByteBuf

  非基于对象池的ByteBuf，其创建的对象位于堆外，具有非对象池和直接内存的优点，同时也具有其缺点。

  
  

以上常见ByteBuf实现类各有其特点，我们在Netty编程时可以根据业务场景灵活使用。