Netty架構模式

9.1 ByteBuf總述

引入緩沖區(qū)是為了解決速度不匹配的問題，在網(wǎng)絡通訊中，CPU處理數(shù)據(jù)的速度大大快于網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的速度，所以引入緩沖區(qū)，將網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，累積足夠的數(shù)據(jù)再送給CPU處理。

9.1.1 緩沖區(qū)的使用

ByteBuf是一個可存儲字節(jié)的緩沖區(qū)，其中的數(shù)據(jù)可提供給ChannelHandler處理或者將用戶需要寫入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)存入其中，待時機成熟再實際寫到網(wǎng)絡中。由此可知，ByteBuf有讀操作和寫操作，為了便于用戶使用，該緩沖區(qū)維護了兩個索引：讀索引和寫索引。一個ByteBuf緩沖區(qū)示例如下：

+-------------------+------------------+------------------+
| discardable bytes |  readable bytes  |  writable bytes  |
|                   |     (CONTENT)    |                  |
+-------------------+------------------+------------------+
|                   |                  |                  |
0      <=      readerIndex   <=   writerIndex    <=    capacity

可知，ByteBuf由三個片段構成：廢棄段、可讀段和可寫段。其中，可讀段表示緩沖區(qū)實際存儲的可用數(shù)據(jù)。當用戶使用readXXX()或者skip()方法時，將會增加讀索引。讀索引之前的數(shù)據(jù)將進入廢棄段，表示該數(shù)據(jù)已被使用。此外，用戶可主動使用discardReadBytes（）清空廢棄段以便得到跟多的可寫空間，示意圖如下：

清空前：
    +-------------------+------------------+------------------+
    | discardable bytes |  readable bytes  |  writable bytes  |
    +-------------------+------------------+------------------+
    |                   |                  |                  |
    0      <=      readerIndex   <=   writerIndex    <=    capacity
清空后：
    +------------------+--------------------------------------+
    |  readable bytes  |    writable bytes (got more space)   |
    +------------------+--------------------------------------+
    |                  |                                      |
readerIndex (0) <= writerIndex (decreased)       <=       capacity

對應可寫段，用戶可使用writeXXX()方法向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，也將增加寫索引。

9.1.2 讀寫索引的非常規(guī)使用

用戶在必要時可以使用clear()方法清空緩沖區(qū)，此時緩沖區(qū)的寫索引和讀索引都將置0，但是并不清除緩沖區(qū)中的實際數(shù)據(jù)。如果需要循環(huán)使用一個緩沖區(qū)，這個方法很有必要。
此外，用戶可以使用mark()和reset()標記并重置讀索引和寫索引。想象這樣的情形：一個數(shù)據(jù)需要寫到寫索引為4的位置，之后的另一個數(shù)據(jù)才寫0-3索引，此時可以先mark標記0索引，然后byteBuf.writeIndex(4)，寫入第一個數(shù)據(jù)，之后reset重置，寫入第二個數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)不同的業(yè)務，合理使用這兩個方法。
需要說明的一點是：用戶使用toString(Charset)將緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)據(jù)轉為字符串時，并不會增加讀索引。另外，toString()只是覆蓋Object的常規(guī)方法，僅僅表示緩沖區(qū)的常規(guī)信息，并不會轉化其中的字節(jié)數(shù)據(jù)。

9.1.3 ByteBuf的底層及派生

容易想到ByteBuf緩沖區(qū)的底層數(shù)據(jù)結構是一個字節(jié)數(shù)組。從操作系統(tǒng)的角度理解，緩沖區(qū)的區(qū)別在于字節(jié)數(shù)組是在用戶空間還是內核空間。如果位于用戶空間，對于JAVA也就是位于堆，此時可使用JAVA的基本數(shù)據(jù)類型byte[]表示，用戶可使用array()直接取得該字節(jié)數(shù)組，使用hasArray()判定該緩沖區(qū)是否是用戶空間緩沖區(qū)。如果位于內核空間，JAVA程序將不能直接進行操作，此時可委托給JDK NIO中的直接緩沖區(qū)DirectByteBuffer由其操作內核字節(jié)數(shù)組，用戶可使用nioBuffer()取得直接緩沖區(qū)，使用nioBufferCount()判定底層是否有直接緩沖區(qū)。
用戶可在已有緩沖區(qū)上創(chuàng)建視圖即派生緩沖區(qū)，這些視圖維護各自獨立的寫索引、讀索引以及標記索引，但他們和原生緩沖區(qū)共享想用的內部字節(jié)數(shù)據(jù)。創(chuàng)建視圖即派生緩沖區(qū)的方法有：duplicate()，slice()以及slice(int,int)。如果想拷貝緩沖區(qū)，也就是說期望維護特有的字節(jié)數(shù)據(jù)而不是共享字節(jié)數(shù)據(jù)，此時可使用copy()方法。

9.2 ByteBuf VS ByteBuffer

也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了ByteBuf和ByteBuffer在命名上有極大的相似性，JDK的NIO包中既然已經(jīng)有字節(jié)緩沖區(qū)ByteBuffer 的實現(xiàn)，為什么Netty還要重復造輪子呢？一個很大的原因是：ByteBuffer對程序員并不友好。
考慮這樣的需求，向緩沖區(qū)寫入兩個字節(jié)0x01和0x02，然后讀取出這兩個字節(jié)。如果使用ByteBuffer，代碼是這樣的：

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(4);
    buf.put((byte) 1);
    buf.put((byte) 2);

    buf.flip(); // 從寫模式切換為讀模式
    System.out.println(buf.get());  // 取出0x01
    System.out.println(buf.get());  // 取出0x02

對于熟悉Netty的ByteBuf的你來說，或許只是多了一行buf.flip()用于將緩沖區(qū)從寫模式卻換為讀模式。但事實并不如此，注意示例中申請了4個字節(jié)的空間，此時理應可以繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。不幸的是，如果再次調用buf.put((byte)3)，將拋出java.nio.BufferOverflowException。而要正確達到該目的，需要調用buf.clear()清空整個緩沖區(qū)或者buf.compact()清除已經(jīng)讀過的數(shù)據(jù)。
這個操作雖然有些繁瑣，但并不是不能忍受，那么繼續(xù)上個例子，考慮這樣取數(shù)據(jù)的操作：

    buf.flip();
    System.out.println(buf.get(0));
    System.out.println(buf.get(1));
    
    System.out.println(buf.get());
    System.out.println(buf.get());

通過之前的分析，聰明的你也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)get()操作會增加讀索引，那么get(index)操作也會增加讀索引嗎？答案是：并不會，所以這個代碼示例是正確的，將輸出0 1 0 1的結果。什么？get()與get(0)居然是兩個不一樣的操作，前者會增加讀索引而后者并不會。是的，可以掀桌子了。此外，get()的方法名本身就很有迷惑性，很自然的會認為與數(shù)組的get()一致，但是卻有一個極大的副作用：增加索引，所以合理的名字應該是：getAndIncreasePosition。
又引入了一個新名詞position，事實上ByteBuffer中并沒有讀索引和寫索引的說法，這兩個索引被統(tǒng)一稱為position。在讀寫模式切換時，該值將會改變，正好與事實上的讀索引與寫索引對應。但愿這樣的說法，并沒有讓你覺得頭暈。
如果我們使用Netty的ByteBuf，感覺世界清靜了很多：

    ByteBuf buf2 = Unpooled.buffer(4);
    buf2.writeByte(1);
    buf2.writeByte(2);

    System.out.println(buf2.readByte());
    System.out.println(buf2.readByte());
    buf2.writeByte(3);
    buf2.writeByte(4);

當然，如果不幸分配到了噩夢模式，必須使用ByteBuffer，那么謹記這四個步驟：

1. 寫入數(shù)據(jù)到ByteBuffer
2. 調用flip()方法
3. 從ByteBuffer中讀取數(shù)據(jù)
4. 調用clear()方法或者compact()方法