Java 本身提供了 ByteBuffer 类，为什么 Netty 还要搞一个 ByteBuf 类呢？因为 ByteBuffer 类有着许多缺点：
为了弥补这些不足，Netty 提供了自己的缓冲区类实现 ByteBuf。有什么特点呢？
ByteBuf 的主要功能类继承关系如下图所示：
从内存分配的角度看，ByteBuf 可以分为两类：
1. 堆内存字节缓冲区 HeapByteBuf：优点是内存分配和回收速度快，可以被 JVM 自动回收。缺点是，如果进行 Socket 的 I/O 读写，需要额外做一次内存复制，在堆内存缓冲区和内核 Channel 之间进行复制，性能会有一定程度下降。
2. 直接内存字节缓冲区 DirectByteBuf：非堆内存，直接在堆外进行分配。相比于堆内存，内存分配和回收稍慢，但是可以减少复制，提升性能。
两种内存，各有利弊。Netty 最佳实践表明：在 I/O 通信线程的读写缓冲区使用 DirectByteBuf，后端业务消息的编解码模块使用 HeapByteBuf，这样组合可以达到性能最优。
从内存回收的角度看，ByteBuf 也分为两类：基于对象池的 ByteBuf 和普通 ByteBuf。两者区别在于基于对象池的 ByteBuf 可以重用 ByteBuf 对象，它自己维护了一个内存池，可以循环利用创建的 ByteBuf，提升内存的使用效率，降低由于高负载导致的频繁 GC。内存池的缺点是管理和维护比较复杂，使用时需要更加谨慎。
下面我们对一些关键类进行分析和解读。
AbstractByteBufAbstractByteBuf 都做了哪些事儿呢？我们先看一下其主要的成员变量：
1. 读写指针。
2. 用于标记回滚的 marked 读写指针。
3. 最大容量 maxCapacity，用于进行内存保护。
4. 与本 ByteBuf 大小端属性相反的 ByteBuf：SwappedByteBuf。
我们发现这里没有真正存储数据的数据结构，例如 byte 数组或 DirectByteBuffer，原因是这里还不知道子类是要基于堆内存还是直接内存。
public abstract class AbstractByteBuf extends ByteBuf {
static final ResourceLeakDetector<ByteBuf> leakDetector = new ResourceLeakDetector<ByteBuf>(ByteBuf.class);
int readerIndex;
int writerIndex;
private int markedReaderIndex;
private int markedWriterIndex;
private int maxCapacity;
private SwappedByteBuf swappedBuf;
}
接下来我们看看读操作 readBytes 方法，AbstractByteBuf 类做了什么呢？
1. 在 checkReadableBytes 方法中，检查入参有效性。
2. 修改读指针 readerIndex。
@Override
public ByteBuf readBytes(byte[] dst, int dstIndex, int length) {
checkReadableBytes(length);
// getBytes 方法未在 AbstractByteBuf 中实现
getBytes(readerIndex, dst, dstIndex, length);
readerIndex += length;
return this;
}
protected final void checkReadableBytes(int minimumReadableBytes) {
ensureAccessible();
if (minimumReadableBytes < 0) {
throw new IllegalArgumentException("minimumReadableBytes: " + minimumReadableBytes + " (expected: >= 0)");
}
if (readerIndex > writerIndex - minimumReadableBytes) {
throw new IndexOutOfBoundsException(String.format(
"readerIndex(%d) + length(%d) exceeds writerIndex(%d): %s",
readerIndex, minimumReadableBytes, writerIndex, this));
}
}
从当前 ByteBuf 中复制数据到 dst 是在 getBytes 方法中，该方法未在 AbstractByteBuf 中实现，也是因为此时具体如何存储数据尚不确定。
下面我们看一下写操作 writeBytes 方法，AbstractByteBuf 负责实现了哪些操作呢？
1. 有效性检查，如果引用计数 refCnt 为 0，表示该 ByteBuf 已经被回收，不能再写入。
2. 输入参数有效性检查：要写入的数据量不能小于 0，写入之后总数据量也不能大于最大容量。
3. 当容量不足时，如果尚未超过最大容量，则进行扩容。
4. 修改写指针。
@Override
public ByteBuf writeBytes(byte[] src, int srcIndex, int length) {
ensureAccessible();
ensureWritable(length);
// setBytes 交给子类实现。
setBytes(writerIndex, src, srcIndex, length);
writerIndex += length;
return this;
}
protected final void ensureAccessible() {
if (refCnt() == 0) {
throw new IllegalReferenceCountException(0);
}
}
@Override
public ByteBuf ensureWritable(int minWritableBytes) {
if (minWritableBytes < 0) {
throw new IllegalArgumentException(String.format(
"minWritableBytes: %d (expected: >= 0)", minWritableBytes));
}
if (minWritableBytes <= writableBytes()) {
return this;
}
if (minWritableBytes > maxCapacity - writerIndex) {
throw new IndexOutOfBoundsException(String.format(
"writerIndex(%d) + minWritableBytes(%d) exceeds maxCapacity(%d): %s",
writerIndex, minWritableBytes, maxCapacity, this));
}
// Normalize the current capacity to the power of 2.
int newCapacity = alloc().calculateNewCapacity(writerIndex + minWritableBytes, maxCapacity);
// 具体扩容操作由子类实现。
capacity(newCapacity);
return this;
}
在读写操作中，AbstractByteBuf 主要负责参数校验、读写指针修改，以及写操作时的扩容计算。
除此之外，AbstractByteBuf 还提供了以下功能：
1. 操作索引：修改读写指针、mark & reset。
2. 重用缓冲区：discardReadBytes。
3. 丢弃部分数据：skipBytes。因为丢弃时，只需要修改读指针即可，与数据具体如何存储无关。
总结：在 AbstractByteBuf 中实现的是各个子类中通用的功能。
AbstractReferenceCountedByteBuf
从类名可以看出来，该类主要提供引用计数的功能，类似于 JVM 内存回收的对象引用计数器，用于跟踪对象的分配和回收，实现手动控制内存回收。
首先，我们看一下其成员变量：
1. refCnt：记录对象引用次数。
2. refCntUpdater：用于对 refCnt 进行原子更新。
private static final AtomicIntegerFieldUpdater<AbstractReferenceCountedByteBuf> refCntUpdater;
static {
AtomicIntegerFieldUpdater<AbstractReferenceCountedByteBuf> updater =
PlatformDependent.newAtomicIntegerFieldUpdater(AbstractReferenceCountedByteBuf.class, "refCnt");
if (updater == null) {
updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AbstractReferenceCountedByteBuf.class, "refCnt");
}
refCntUpdater = updater;
}
private volatile int refCnt = 1;
接下来，我们看一下增加引用计数的 retain 方法。该方法是用 CAS 操作对 refCnt 进行加 1。另外，refCnt 值为 0 或 Integer.MAX_VALUE 值不能再操作，会抛出异常。
@Override
public ByteBuf retain() {
for (;;) {
int refCnt = this.refCnt;
if (refCnt == 0) {
throw new IllegalReferenceCountException(0, 1);
}
if (refCnt == Integer.MAX_VALUE) {
throw new IllegalReferenceCountException(Integer.MAX_VALUE, 1);
}
if (refCntUpdater.compareAndSet(this, refCnt, refCnt + 1)) {
break;
}
}
return this;
}
另一个 release 方法表示释放资源，会将引用计数 refCnt 减 1，如果当前 refCnt 等于 1，减 1 之后等于 0，表示对象已经没有被引用，可以被回收了，会调用 deallocate 方法释放内存。
@Override
public final boolean release() {
for (;;) {
int refCnt = this.refCnt;
if (refCnt == 0) {
throw new IllegalReferenceCountException(0, -1);
}
if (refCntUpdater.compareAndSet(this, refCnt, refCnt - 1)) {
if (refCnt == 1) {
deallocate();
return true;
}
return false;
}
}
}
在 UnpooledHeapByteBuf 中，释放内存仅仅是把 array 数组置为 null，剩下的内存回收工作交由 JVM 来完成。
// in UnpooledHeapByteBuf.java
private byte[] array;
@Override
protected void deallocate() {
array = null;
}
在 UnpooledDirectByteBuf 中，则是调用 PlatformDependent.freeDirectBuffer 来释放直接内存。
// in UnpooledDirectByteBuf.java
@Override
protected void deallocate() {
ByteBuffer buffer = this.buffer;
if (buffer == null) {
return;
}
this.buffer = null;
if (!doNotFree) {
freeDirect(buffer);
}
}
protected void freeDirect(ByteBuffer buffer) {
PlatformDependent.freeDirectBuffer(buffer);
}
UnpooledHeapByteBuf
UnpooledHeapByteBuf 是基于堆内存进行内存分配的字节缓冲区，它没有基于对象池实现，意味着每次 I/O 读写都会创建一个新的 UnpooledHeapByteBuf 对象，频繁进行内存的分配和释放对性能会有一定的影响，但是相对堆外内存的申请和释放，成本稍低。
相比于 PooledHeapByteBuf，不需要自己管理内存池，不容易出现内存管理方面的问题，更容易使用和维护。因此，在满足性能的情况下，推荐使用 UnpooledHeapByteBuf。
首先看一下 UnpooledHeapByteBuf 的成员变量：
1. 负责内存分配的 ByteBufAllocator。
2. 缓冲区实现 byte 数组。
3. 从 ByteBuf 到 NIO 的 ByteBuffer 的转换对象 tmpNioBuf。
private final ByteBufAllocator alloc;
private byte[] array;
private ByteBuffer tmpNioBuf;
在将 AbstractByteBuf 的时候，我们提到 getBytes、capacity 等方法是由子类来实现的，这里我们先看看 getBytes 的实现，从代码中可以看出来，是直接调用 System.arraycopy 进行的数组复制。
@Override
public ByteBuf getBytes(int index, byte[] dst, int dstIndex, int length) {
checkDstIndex(index, length, dstIndex, dst.length);
System.arraycopy(array, index, dst, dstIndex, length);
return this;
}
接下来看一下动态伸缩的 capacity 方法，主要做了以下几件事：
1. 参数校验，newCapacity 不能小于 0，大于 maxCapacity。
2. 如果 maxCapacity 大于 oldCapacity 表示扩容，直接申请新的 byte 数组，进行内存复制即可。
3. 如果 maxCapacity 小于 oldCapacity 就是缩容了，同样申请 byte 数组。不同的是，需要根据读指针 readerIndex 与 newCapacity 的大小来决定是否需要进行内存复制。当 readerIndex 小于 newCapacity 时，需要复制内存，否则不需要。
4. 设置合适的读写指针位置。
5. 更新缓冲区字节数组引用 array 的值。
@Override
public ByteBuf capacity(int newCapacity) {
ensureAccessible();
if (newCapacity < 0 || newCapacity > maxCapacity()) {
throw new IllegalArgumentException("newCapacity: " + newCapacity);
}
int oldCapacity = array.length;
if (newCapacity > oldCapacity) {
byte[] newArray = new byte[newCapacity];
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, array.length);
setArray(newArray);
} else if (newCapacity < oldCapacity) {
byte[] newArray = new byte[newCapacity];
int readerIndex = readerIndex();
if (readerIndex < newCapacity) {
int writerIndex = writerIndex();
if (writerIndex > newCapacity) {
writerIndex(writerIndex = newCapacity);
}
System.arraycopy(array, readerIndex, newArray, readerIndex, writerIndex - readerIndex);
} else {
setIndex(newCapacity, newCapacity);
}
setArray(newArray);
}
return this;
}
private void setArray(byte[] initialArray) {
array = initialArray;
tmpNioBuf = null;
}
public ByteBuf setIndex(int readerIndex, int writerIndex) {
if (readerIndex < 0 || readerIndex > writerIndex || writerIndex > capacity()) {
throw new IndexOutOfBoundsException(String.format(
"readerIndex: %d, writerIndex: %d (expected: 0 <= readerIndex <= writerIndex <= capacity(%d))",
readerIndex, writerIndex, capacity()));
}
this.readerIndex = readerIndex;
this.writerIndex = writerIndex;
return this;
}
从 ByteBuf 到 ByteBuffer 的转换，主要是使用了 ByteBuffer 的 wrap 方法：
@Override
public ByteBuffer nioBuffer(int index, int length) {
ensureAccessible();
return ByteBuffer.wrap(array, index, length).slice();
}
PooledByteBuf
PooledByteBuf 是 ByteBuf 的内存池实现，应用自己实现的内存池管理策略，一般和操作系统的内存管理策略差不多，往往会更简单些。PooledByteBuf 内存池的分配和释放，主要通过 PoolArena 来实现。比如在 capacity 方法中，最终会使用 arena 的 reallocate 方法来重新分配内存。
public final ByteBuf capacity(int newCapacity) {
ensureAccessible();
// If the request capacity does not require reallocation, just update the length of the memory.
if (chunk.unpooled) {
if (newCapacity == length) {
return this;
}
} else {
if (newCapacity > length) {
if (newCapacity <= maxLength) {
length = newCapacity;
return this;
}
} else if (newCapacity < length) {
if (newCapacity > maxLength >>> 1) {
if (maxLength <= 512) {
if (newCapacity > maxLength - 16) {
length = newCapacity;
setIndex(Math.min(readerIndex(), newCapacity), Math.min(writerIndex(), newCapacity));
return this;
}
} else { // > 512 (i.e. >= 1024)
length = newCapacity;
setIndex(Math.min(readerIndex(), newCapacity), Math.min(writerIndex(), newCapacity));
return this;
}
}
} else {
return this;
}
}
// 最终使用 arena 的 reallocate 方法来重新分配内存。
chunk.arena.reallocate(this, newCapacity, true);
return this;
}
PoolArena 是由多个 PoolChunk 组成的大块内存区域。
abstract class PoolArena<T> {
static final int numTinySubpagePools = 512 >>> 4;
final PooledByteBufAllocator parent;
private final int maxOrder;
final int pageSize;
final int pageShifts;
final int chunkSize;
final int subpageOverflowMask;
final int numSmallSubpagePools;
private final PoolSubpage<T>[] tinySubpagePools;
private final PoolSubpage<T>[] smallSubpagePools;
private final PoolChunkList<T> q050;
private final PoolChunkList<T> q025;
private final PoolChunkList<T> q000;
private final PoolChunkList<T> qInit;
private final PoolChunkList<T> q075;
private final PoolChunkList<T> q100;
}
// PoolChunkList 是 PoolChunk 组成的链表
final class PoolChunkList<T> {
private final PoolArena<T> arena;
private final PoolChunkList<T> nextList;
PoolChunkList<T> prevList;
private final int minUsage;
private final int maxUsage;
private PoolChunk<T> head;
}
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每个 PoolChunk 由多个 PoolSubpage 组成。
final class PoolChunk<T> {
final PoolArena<T> arena;
final T memory;
final boolean unpooled;
private final byte[] memoryMap;
private final byte[] depthMap;
private final PoolSubpage<T>[] subpages;
/** Used to determine if the requested capacity is equal to or greater than pageSize. */
private final int subpageOverflowMask;
private final int pageSize;
private final int pageShifts;
private final int maxOrder;
private final int chunkSize;
private final int log2ChunkSize;
private final int maxSubpageAllocs;
/** Used to mark memory as unusable */
private final byte unusable;
private int freeBytes; // 当前 chunk 空闲字节数目
PoolChunkList<T> parent; // 父节点
PoolChunk<T> prev; // 链表前一个节点
PoolChunk<T> next; // 链表后一个节点
}
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PoolSubpage 负责管理一个 Page 的内存，通过 bitmap 中的每一位来标记每一块儿内存的占用状态。
final class PoolSubpage<T> {
final PoolChunk<T> chunk;
private final int memoryMapIdx; // 当前page在chunk中的id
private final int runOffset; // 当前page在chunk.memory的偏移量
private final int pageSize; // page大小
private final long[] bitmap; // 通过对每一个二进制位的标记来修改一段内存的占用状态
PoolSubpage<T> prev;
PoolSubpage<T> next;
boolean doNotDestroy;
int elemSize;
private int maxNumElems;
private int bitmapLength;
private int nextAvail;
private int numAvail;
}
PooledDirectByteBuf
PooledDirectByteBuf 基于内存池实现，与 UnPooledDirectByteBuf 的唯一区别就是，缓冲区的分配和销毁策略不同。不仅缓冲区所需内存使用内存池分配管理，PooledDirectByteBuf 对象本身，也使用 Recycler 管理。 比如 PooledDirectByteBuf 创建示例调用的是 Recycler 的 get 方法。
final class PooledDirectByteBuf extends PooledByteBuf<ByteBuffer> {
private static final Recycler<PooledDirectByteBuf> RECYCLER = new Recycler<PooledDirectByteBuf>() {
@Override
protected PooledDirectByteBuf newObject(Handle<PooledDirectByteBuf> handle) {
return new PooledDirectByteBuf(handle, 0);
}
};
static PooledDirectByteBuf newInstance(int maxCapacity) {
PooledDirectByteBuf buf = RECYCLER.get();
buf.setRefCnt(1);
buf.maxCapacity(maxCapacity);
}
Recycler 是一个轻量级的对象池，一个对象池最核心的方法是从池中获取对象和回收对象到池中，分别对应其 get 和 recycle 方法。
public abstract class Recycler<T> {
public final T get() {
Stack<T> stack = threadLocal.get();
DefaultHandle<T> handle = stack.pop();
if (handle == null) {
handle = stack.newHandle();
handle.value = newObject(handle);
}
return (T) handle.value;
}
public final boolean recycle(T o, Handle<T> handle) {
DefaultHandle<T> h = (DefaultHandle<T>) handle;
if (h.stack.parent != this) {
return false;
}
h.recycle(o);
return true;
}
}
PooledDirectByteBuf 中的 copy 方法用于复制一个新的字节缓冲区实例，该方法首先调用 PooledByteBufAllocator 的 directBuffer 来生成新的 ByteBuf，然后复制数据。
@Override
public ByteBuf copy(int index, int length) {
checkIndex(index, length);
ByteBuf copy = alloc().directBuffer(length, maxCapacity());
copy.writeBytes(this, index, length);
return copy;
}
directBuffer 是在抽象类 AbstractByteBufAllocator 中实现的，进行参数校验之后调用 newDirectBuffer 来获取 ByteBuf，该方法由子类来实现。
@Override
public ByteBuf directBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
if (initialCapacity == 0 && maxCapacity == 0) {
return emptyBuf;
}
validate(initialCapacity, maxCapacity);
return newDirectBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}
在内存池版本 PooledByteBufAllocator 的实现中，判断如果内存池 directArena 可用，则从中获取，否则自行 new 一个。
@Override
protected ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
PoolThreadCache cache = threadCache.get();
PoolArena<ByteBuffer> directArena = cache.directArena;
ByteBuf buf;
if (directArena != null) {
buf = directArena.allocate(cache, initialCapacity, maxCapacity);
} else {
if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
buf = new UnpooledUnsafeDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
} else {
buf = new UnpooledDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
}
}
return toLeakAwareBuffer(buf);
}
而在非内存池版本 UnpooledByteBufAllocator 中，则是直接 new 一个。
@Override
protected ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
ByteBuf buf;
if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
buf = new UnpooledUnsafeDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
} else {
buf = new UnpooledDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
}
return toLeakAwareBuffer(buf);
}
辅助类
内存分配相关： ByteBufAllocator 及其子类 UnpooledByteBufAllocator、PooledByteBufAllocator。
组合视图：CompositeByteBuf。
工具类：ByteBufUtil。
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