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Netty 零拷贝（三）Netty 对零拷贝的改进

Netty 系列目录 (https://www.cnblogs.com/binarylei/p/10117436.html)

Netty 的“零拷贝”主要体现以下几个方面：

1. Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行 Socket 读写，JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接内存中，然后才写入 Socket 中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

2. Netty 提供了 CompositeByteBuf 类，它可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小 Buffer 合并成一个大的 Buffer。

3. 通过 FileRegion 包装的 FileChannel.tranferTo 方法 实现文件传输，可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel，避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题。

4. 通过 wrap 操作，我们可以将 byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer 等包装成一个 Netty ByteBuf 对象，进而避免了拷贝操作

一、直接缓冲区的应用

Netty 中使用直接缓冲区来读写数据，首先看一下 read 方法中缓冲区的创建方法。

// AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read
public final void read() {
    final ChannelConfig config = config();
    final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator();
    final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = recvBufAllocHandle();
    ByteBuf byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
    // 省略...
}

Netty 中接收缓冲区 ByteBuffer 由 ChannelConfig 分配，而 ChannelConfig 创建 ByteBufAllocator 默认使用 Direct Buffer，这就避免了读写数据的二次内存拷贝问题，从而实现了读写 Socket 的零拷贝功能。

// ByteBufAllocator 用于分配缓冲区
private volatile ByteBufAllocator allocator = ByteBufAllocator.DEFAULT;

// RecvByteBufAllocator 可伸缩的缓冲区，根据每次接收的数据大小自动分配缓冲区大小
private volatile RecvByteBufAllocator rcvBufAllocator;
public DefaultChannelConfig(Channel channel) {
    this(channel, new AdaptiveRecvByteBufAllocator());
}

AdaptiveRecvByteBufAllocator 继承自 DefaultMaxMessagesRecvByteBufAllocator，在 allocate 分配缓冲区。

// DefaultMaxMessagesRecvByteBufAllocator.MaxMessageHandle.allocate
public ByteBuf allocate(ByteBufAllocator alloc) {
    return alloc.ioBuffer(guess());
}

// AbstractByteBufAllocator
public ByteBuf ioBuffer(int initialCapacity) {
    if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
        return directBuffer(initialCapacity);
    }
    return heapBuffer(initialCapacity);
}

PlatformDependent.hasUnsafe() 通过判断能否加载到 sun.misc.Unsafe 类就使用直接缓冲区，正常情况下返回 true

private static final boolean HAS_UNSAFE = hasUnsafe0();
public static boolean hasUnsafe() {
    return HAS_UNSAFE;
}

// 默认如果能通过反射获取 sun.misc.Unsafe 实例则使用直接缓冲区，因为直接缓冲区底层就是使用 Unsafe 类
private static boolean hasUnsafe0() {
    // 1. 加载 android.app.Application 类则返回 true
    if (isAndroid()) {
        return false;
    }
    
    // 2. -Dio.netty.noUnsafe=true
    if (PlatformDependent0.isExplicitNoUnsafe()) {
        return false;
    }

    // 3. 通过反射获取 sun.misc.Unsafe 类。Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe")
    try {
        boolean hasUnsafe = PlatformDependent0.hasUnsafe();
        logger.debug("sun.misc.Unsafe: {}", hasUnsafe ? "available" : "unavailable");
        return hasUnsafe;
    } catch (Throwable t) {
        logger.trace("Could not determine if Unsafe is available", t);
        return false;
    }
}

我们再分析一直 ByteBufAllocator allocator = ByteBufAllocator.DEFAULT 中的默认 ByteBufAllocator。

ByteBufAllocator DEFAULT = ByteBufUtil.DEFAULT_ALLOCATOR;

// ByteBufUtil，主要判断是否将内存池化，因为直接缓冲区的分配和销毁开销比较大
static final ByteBufAllocator DEFAULT_ALLOCATOR;
static {
    String allocType = SystemPropertyUtil.get(
            "io.netty.allocator.type", PlatformDependent.isAndroid() ? "unpooled" : "pooled");
    allocType = allocType.toLowerCase(Locale.US).trim();

    ByteBufAllocator alloc;
    if ("unpooled".equals(allocType)) {
        alloc = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
    } else if ("pooled".equals(allocType)) {
        alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
    } else {
        alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: pooled (unknown: {})", allocType);
    }

    DEFAULT_ALLOCATOR = alloc;
}

// 除了 HAS_UNSAFE 外还需要判断 io.netty.noPreferDirect 属性
public static final PooledByteBufAllocator DEFAULT =
            new PooledByteBufAllocator(PlatformDependent.directBufferPreferred());            
public static final UnpooledByteBufAllocator DEFAULT =
        new UnpooledByteBufAllocator(PlatformDependent.directBufferPreferred());
public static boolean directBufferPreferred() {
    return DIRECT_BUFFER_PREFERRED;
}
private static final boolean DIRECT_BUFFER_PREFERRED =
        HAS_UNSAFE && !SystemPropertyUtil.getBoolean("io.netty.noPreferDirect", false);

二、CompositeByteBuf

//定义两个ByteBuf类型的 body 和 header 
CompositeByteBuf compositeByteBuf = Unpooled.compositeBuffer();
compositeByteBuf.addComponents(true, header, body);

addComponents 方法将 header 与 body 合并为一个逻辑上的 ByteBuf, 这两个 ByteBuf 在 CompositeByteBuf 内部都是单独存在的, CompositeByteBuf 只是逻辑上是一个整体。

三、通过 FileRegion 实现零拷贝

利用 nio 提供的 transferTo 实现零拷贝。

srcFileChannel.transferTo(position, count, destFileChannel);

四、通过 wrap / slice 实现零拷贝

// wrappedBuffer 和 slice 都是共享同一内存，并没有拷贝
ByteBuf byteBuf = Unpooled.wrappedBuffer(bytes);

ByteBuf header = byteBuf.slice(0, 5);
ByteBuf body = byteBuf.slice(5, 10);

每天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！

Netty 零拷贝（三）Netty 对零拷贝的改进

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