netty源碼解解析(4.0)-22 ByteBuf的I/O
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
ByteBuf的I/O主要解決的問題有兩個:
- 管理readerIndex和writerIndex。這個在在AbstractByteBuf中解決。
- 從記憶體中讀寫數據。ByteBuf的不同實現主要使用兩種記憶體：堆記憶體表示為byte[]；直接內，可能是DirectByteBuffer或者是一塊裸記憶體。這個問題在HeapByteBufUtil, UnsafeByteBufUtil中解決。
管理readerIndex和writerIndex
AbstractByteBuf中實現了對readerIndex和writerIndex的管理。下面以int數據的讀寫為例說明這兩個屬性的管理機制。
readerIndex
@Override public int readInt() { checkReadableBytes0(4); int v = _getInt(readerIndex); readerIndex += 4; return v; }這個方法是從ByteBuf中讀取一個int數據.
- 第一步: checkReadableBytes0(4), 確保ByteBuf中有至少4個Byte的數據。
- 第二步: _getInt從readerIndex指定的位置讀取4個Byte的數據，並反序列化成一個int。
- 第三步: readerIndex的值增加4。
還有一個getInt方法，它也能從ByteBuf讀出一個int數據，不同的是這個方法需要指定讀取位置，也不會影響readerIndex的值。
如果有需要，還能使用readerIndex(int readerIndex)方法，設置readerIndex的值。
可以調用markedReaderIndex()把當前的readerIndex值保存到markedReaderIndex屬性。在有需要的時候可以調用resetReaderIndex()把markedReaderIndex屬性的值恢復到readerIndex。
writerIndex
@Override public ByteBuf writeInt(int value) { ensureWritable0(4); _setInt(writerIndex, value); writerIndex += 4; return this; }這個方法是向ByteBuf中寫入一個int數據。
- 第一步: ensureWritable0(4), 檢查確保ByteBuf中有4個Byte的可寫空間。
- 第二步: _setInt把int數據寫入到writerIndex指定的位置，寫之前會把int數據方序列化成4個Byte的數據。
- 第三步: writerIndex值增加4。
setInt方法向ByteBuf寫入一個int數據，不影響writerIndex。
markWriterIndex和resetWriterIndex分別用來標記和恢復writerIndex。
不同數據類型對readerIndex和writerIndex影響取決於數據的長度。每種數據類型的長度在上一章中有詳細描述。 Bytes數據相對要複雜一些，後面會詳述。
AbstractByteBuf定義的抽象的介面
AbstractByteBuf這個抽象類主要實現對readerIndex和writerIndex的管理。它把真正的I/O操實現留給子類。
以int類型的數據讀寫為例，它定義了兩個抽象介面分別從指定位置讀寫數據: _getInt(int index), _setInt(int index, int value)。此外還有另外4組抽象方法，用來實現不同類型數據的讀寫:
- _getByte, setByte
- _getShort, setShort
- _getUnsignedMedium, _setMedium
- _getLong, _getLong
浮點數據的I/O
浮點數是IEEE定義的標準記憶體記憶體結構，較整數要複雜一些。AbstractByteBuf使用int的I/O方法處理float數據，使用long的I/O方法處理double數據。下面是writeDouble的實現:
@Override public double readDouble() { return Double.longBitsToDouble(readLong()); } @Override public ByteBuf writeDouble(double value) { writeLong(Double.doubleToRawLongBits(value)); return this; } 讀的時候是先讀出一個long數據，然後調用longBitsToDouble把long轉換成double。寫的時候先調用doubletoRawLongBits把double轉換成long, 然後寫入long數據。
對float數據的處理類似，這裡就不再贅述。
Bytes數據的I/O
ByteBuf定義了5中不同類型的Bytes: byte[], ByteBuffer, InputStream, OutputStream, ScatteringByteChannel。其中byte[]和ByteBuffer有最大長度限制，讀寫的時候可以指定長度，也可以不指定。另外3種長度不確定，必須要指定長度，下面以byte[]為例看一下Bytes I/O的實現。
Bytes讀
@Override public ByteBuf readBytes(byte[] dst, int dstIndex, int length) { checkReadableBytes(length); getBytes(readerIndex, dst, dstIndex, length); readerIndex += length; return this; } @Override public ByteBuf readBytes(byte[] dst) { readBytes(dst, 0, dst.length); return this; }readBytes(dst)方法沒有指定長度默認會讀取dst最大長度的的數據。
readBytes(dst, dstIndex, length)方法指定的dst的起始位置和長度，把讀取的數據放到dst的dst[dstIndex]到dst[dstIndex+length]區間內。同時他還負責管理readerIndex。
getBytes(index, dst, dstIndex, length)方法是功能最強大的方法，留給子類實現。
Bytes寫
@Override public ByteBuf writeBytes(byte[] src, int srcIndex, int length) { ensureWritable(length); setBytes(writerIndex, src, srcIndex, length); writerIndex += length; return this; } @Override public ByteBuf writeBytes(byte[] src) { writeBytes(src, 0, src.length); return this; }writeBytes(src)寫入整個src的數據。
writeBytes(src, srcIndex, length)指定src的起始位置和長度，把src中src[srcIndex]到src[srcIndex+length]區間的數據寫入到ByteBuf。同時它還負責管理writerIndex。
setBytes(index, src, srcIndex, length)是功能最強大的寫方法，留給子類實現。
不同記憶體對I/O操作的影響
前面講到ByteBuf主要使用兩種記憶體。堆記憶體可以表示為byte[]對象，直接記憶體可以表示為記憶體的首地址address, 和記憶體大小size, 記憶體的範圍是(address, addrress+size]。本質上它們都是一維數組，不同的是，java語言提供了對byte[]類型的支援，而直接內可以通過DirectBuffer訪問，如果支援Unsafe還可以通過sun.misc.Unsafe提供的方法訪問。如果要讀取byte[4]的數據，byte[]可以這樣：
//假設src是一個byte[], 長度大於4 byte[] dst = byte[4]; for(int i = 0; i < 4; ++ i) dst[i] = src[i];而直接記憶體是這樣
//假設src是DirectByteBuffer byte[] dst = byte[4]; for(int i = 0; i < 4; ++ i) dst[i] = src.get(i); //如果使用Unsafe，假設address是記憶體的首地址，size > 4. unsafe是sun.misc.Unsafe對象 byte[] dst = byte[4]; for(int i = 0; i < 4; ++ i) dest[i] = unsafe.getByte(address+i); 針對不同記憶體的I/O操作工具
Netty提供了一個堆記憶體I/O操作的工具類: HeapByteBufUtil。一個使用 sun.misc.Unsafe的直接記憶體I/O操作的工具類: UnsafeByteBufUtil。
下面以long類型數據的I/O為例，比較兩者記憶體操作方式的不同之處。
堆記憶體:
static long getLong(byte[] memory, int index) { return ((long) memory[index] & 0xff) << 56 | ((long) memory[index + 1] & 0xff) << 48 | ((long) memory[index + 2] & 0xff) << 40 | ((long) memory[index + 3] & 0xff) << 32 | ((long) memory[index + 4] & 0xff) << 24 | ((long) memory[index + 5] & 0xff) << 16 | ((long) memory[index + 6] & 0xff) << 8 | (long) memory[index + 7] & 0xff; } static void setLong(byte[] memory, int index, long value) { memory[index] = (byte) (value >>> 56); memory[index + 1] = (byte) (value >>> 48); memory[index + 2] = (byte) (value >>> 40); memory[index + 3] = (byte) (value >>> 32); memory[index + 4] = (byte) (value >>> 24); memory[index + 5] = (byte) (value >>> 16); memory[index + 6] = (byte) (value >>> 8); memory[index + 7] = (byte) value; } 這個是BIG_ENDIAN位元組序的演算法。再看一下直接記憶體的的程式碼:
static long getLong(long address){ PlatformDependent.getByte(address)) << 56 | (PlatformDependent.getByte(address + 1) & 0xffL) << 48 | (PlatformDependent.getByte(address + 2) & 0xffL) << 40 | (PlatformDependent.getByte(address + 3) & 0xffL) << 32 | (PlatformDependent.getByte(address + 4) & 0xffL) << 24 | (PlatformDependent.getByte(address + 5) & 0xffL) << 16 | (PlatformDependent.getByte(address + 6) & 0xffL) << 8 | (PlatformDependent.getByte(address + 7)) & 0xffL; } static void setLong(long address, long value) { PlatformDependent.putByte(address, (byte) (value >>> 56)); PlatformDependent.putByte(address + 1, (byte) (value >>> 48)); PlatformDependent.putByte(address + 2, (byte) (value >>> 40)); PlatformDependent.putByte(address + 3, (byte) (value >>> 32)); PlatformDependent.putByte(address + 4, (byte) (value >>> 24)); PlatformDependent.putByte(address + 5, (byte) (value >>> 16)); PlatformDependent.putByte(address + 6, (byte) (value >>> 8)); PlatformDependent.putByte(address + 7, (byte) value); }這兩段程式碼在BIG_ENDIAN的位元組序編碼演算法上並無區別。他們的區別在於讀寫byte數據方式上，一個使用[]運算符，一個使用getByte和putByte方法。
