七、详解ByteBuf缓冲区

为了确保引用计数不会混乱，在Netty的业务处理器开发过程中，应该坚持一个原则：retain和release方法应该结对使用。简单地说，在一个方法中，调用了retain，就应该调用一次release。

        public void handlMethodA(ByteBufbyteBuf) {
            byteBuf.retain();
            try {
                handlMethodB(byteBuf);
            } finally {
                byteBuf.release();
            }
        }

如果retain和release这两个方法，一次都不调用呢？则在缓冲区使用完成后，调用一次release，就是释放一次。例如在Netty流水线上，中间所有的Handler业务处理器处理完ByteBuf之后直接传递给下一个，由最后一个Handler负责调用release来释放缓冲区的内存空间。
当引用计数已经为0, Netty会进行ByteBuf的回收。分为两种情况：（1）Pooled池化的ByteBuf内存，回收方法是：放入可以重新分配的ByteBuf池子，等待下一次分配。（2）Unpooled未池化的ByteBuf缓冲区，回收分为两种情况：如果是堆（Heap）结构缓冲，会被JVM的垃圾回收机制回收；如果是Direct类型，调用本地方法释放外部内存（unsafe.freeMemory）。

7. ByteBuf的Allocator分配器

Netty通过ByteBufAllocator分配器来创建缓冲区和分配内存空间。Netty提供了ByteBufAllocator的两种实现：PoolByteBufAllocator和UnpooledByteBufAllocator。
PoolByteBufAllocator（池化ByteBuf分配器）将ByteBuf实例放入池中，提高了性能，将内存碎片减少到最小；这个池化分配器采用了jemalloc高效内存分配的策略，该策略被好几种现代操作系统所采用。
UnpooledByteBufAllocator是普通的未池化ByteBuf分配器，它没有把ByteBuf放入池中，每次被调用时，返回一个新的ByteBuf实例；通过Java的垃圾回收机制回收。
为了验证两者的性能，大家可以做一下对比试验：
（1）使用UnpooledByteBufAllocator的方式分配ByteBuf缓冲区，开启10000个长连接，每秒所有的连接发一条消息，再看看服务器的内存使用量的情况。
实验的参考结果：在短时间内，可以看到占到10GB多的内存空间，但随着系统的运行，内存空间不断增长，直到整个系统内存被占满而导致内存溢出，最终系统宕机。
（2）把UnpooledByteBufAllocator换成PooledByteBufAllocator，再进行试验，看看服务器的内存使用量的情况。
实验的参考结果：内存使用量基本能维持在一个连接占用1MB左右的内存空间，内存使用量保持在10GB左右，经过长时间的运行测试，我们会发现内存使用量都能维持在这个数量附近，系统不会因为内存被耗尽而崩溃。
在Netty中，默认的分配器为ByteBufAllocator.DEFAULT，可以通过Java系统参数（System Property）的选项io.netty.allocator.type进行配置，配置时使用字符串值：“unpooled”, “pooled”。
不同的Netty版本，对于分配器的默认使用策略是不一样的。在Netty 4.0版本中，默认的分配器为UnpooledByteBufAllocator。而在Netty 4.1版本中，默认的分配器为PooledByteBufAllocator。现在PooledByteBufAllocator已经广泛使用了一段时间，并且有了增强的缓冲区泄漏追踪机制。因此，可以在Netty程序中设置启动器Bootstrap的时候，将PooledByteBufAllocator设置为默认的分配器。

        ServerBootstrap b = new ServerBootstrap()
        //....
        //4 设置通道的参数
        b.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
        b.option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);
        b.childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);
        //....

内存管理的策略可以灵活调整，这是使用Netty所带来的又一个好处。只需一行简单的配置，就能获得到池化缓冲区带来的好处。在底层，Netty为我们干了所有“脏活、累活”！这主要是因为Netty用到了Java的Jemalloc内存管理库。
使用分配器分配ByteBuf的方法有多种。下面列出主要的几种：

        package com.crazymakercircle.netty.bytebuf;
        //...
        public class AllocatorTest {
            @Test
            public void showAlloc() {
              ByteBuf buffer = null;
              //方法一：分配器默认分配初始容量为9，最大容量100的缓冲区
              buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(9, 100);
              //方法二：分配器默认分配初始容量为256，最大容量Integer.MAX_VALUE的缓冲区
              buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
              //方法三：非池化分配器，分配基于Java的堆（Heap）结构内存缓冲区
              buffer = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer();
              //方法四：池化分配器，分配基于操作系统管理的直接内存缓冲区
              buffer = PooledByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer();
              //….．其他方法
            }
        }

如果没有特别的要求，使用第一种或者第二种分配方法分配缓冲区即可。

8. ByteBuf缓冲区的类型

根据内存的管理方不同，分为堆缓存区和直接缓存区，也就是Heap ByteBuf和Direct ByteBuf。另外，为了方便缓冲区进行组合，提供了一种组合缓存区。

上面三种缓冲区的类型，无论哪一种，都可以通过池化（Pooled）、非池化（Unpooled）两种分配器来创建和分配内存空间。
下面对Direct Memory（直接内存）进行一下特别的介绍：

• Direct Memory不属于Java堆内存，所分配的内存其实是调用操作系统malloc()函数来获得的；由Netty的本地内存堆Native堆进行管理。
• Direct Memory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值（-Xmx指定）一样。注意：并不是强制要求，有的JVM默认Direct Memory与-Xmx无直接关系。
• Direct Memory的使用避免了Java堆和Native堆之间来回复制数据。在某些应用场景中提高了性能。
• 在需要频繁创建缓冲区的场合，由于创建和销毁Direct Buffer（直接缓冲区）的代价比较高昂，因此不宜使用Direct Buffer。也就是说，Direct Buffer尽量在池化分配器中分配和回收。如果能将Direct Buffer进行复用，在读写频繁的情况下，就可以大幅度改善性能。
• 对Direct Buffer的读写比Heap Buffer快，但是它的创建和销毁比普通Heap Buffer慢。
• 在Java的垃圾回收机制回收Java堆时，Netty框架也会释放不再使用的Direct Buffer缓冲区，因为它的内存为堆外内存，所以清理的工作不会为Java虚拟机（JVM）带来压力。注意一下垃圾回收的应用场景：（1）垃圾回收仅在Java堆被填满，以至于无法为新的堆分配请求提供服务时发生；（2）在Java应用程序中调用System.gc()函数来释放内存。

Heap ByteBuf和Direct ByteBuf两类缓冲区的使用。它们有以下几点不同：
· 创建的方法不同：Heap ByteBuf通过调用分配器的buffer()方法来创建；而Direct ByteBuf的创建，是通过调用分配器的directBuffer()方法。
· Heap ByteBuf缓冲区可以直接通过array()方法读取内部数组；而Direct ByteBuf缓冲区不能读取内部数组。
· 可以调用hasArray()方法来判断是否为Heap ByteBuf类型的缓冲区；如果hasArray()返回值为true，则表示是Heap堆缓冲，否则就不是。
· Direct ByteBuf要读取缓冲数据进行业务处理，相对比较麻烦，需要通过getBytes/readBytes等方法先将数据复制到Java的堆内存，然后进行其他的计算。