浅谈ByteBuffer与ByteBuf

I/O

作为开发者，I/O是一定会遇到的。以常见的文件操作为例，原生的java代码如下：

// 基本字节流一次读写一个字节数组
public static void method2(String srcString, String destString)
        throws IOException {
    FileInputStream fis = new FileInputStream(srcString);
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destString);

    byte[] bys = new byte[1024];
    int len = 0;
    while ((len = fis.read(bys)) != -1) {
        fos.write(bys, 0, len);
    }

    fos.close();
    fis.close();
}

用FileInputStream能完成基本的功能，但是会有一个问题就是，性能上还有优化的空间。
问题出在哪里？FileInputStream.read和FileOutputStream.write这两个方法，每次执行都会进行I/O操作，由于I/O操作是比较好资源的，频繁的操作必然导致性能上的问题。

为什么使用Buffer

上面我们讲到FileInputStream.read和FileOutputStream.write会频繁地进行I/O操作。为了解决这个阻塞的问题，引入了Buffer这个概念。
Buffer做了什么事情呢？有了Buffer以后，每次的读取，java会读取更多的数据到缓冲区里，下次再调用read方法时，如果缓冲区里的数据够了，就直接返回数据，不用再执行I/O操作。写入也是如此，通过这种方式，化零为整，减低了I/O操作的频率，提升效率。

buffer 的主要目的进行流量整形，把突发的大数量较小规模的 I/O 整理成平稳的小数量较大规模的 I/O，以减少响应次数（比如从网上下电影，你不能下一点点数据就写一下硬盘，而是积攒一定量的数据以后一整块一起写，不然硬盘都要被你玩坏了）。

// 高效字节流一次读写一个字节数组：
public static void method4(String srcString, String destString)
        throws IOException {
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(
            srcString));
    //为什么不传递一个具体的文件或者文件路径，而是传递一个OutputStream对象?
    //因为字节缓冲区流仅仅提供缓冲区，为高效而设计的。真正的读写操作还是基本的流对象实现。

    //构造方法可以指定缓冲区的大小，但是我们一般不用，默认缓冲区大小就够了
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
            new FileOutputStream(destString));

    byte[] bys = new byte[1024];
    int len = 0;
    while ((len = bis.read(bys)) != -1) {
        bos.write(bys, 0, len);
    }

    bos.close();
    bis.close();
}

ByteBuffer

上面介绍了BufferedOutputStream，在网络I/O方面，用的最多的就是ByteBuffer了。ByteBuffer的使用方式如下：

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(88);
String value = "netty";
byteBuffer.put(value.getBytes());
byteBuffer.flip();
byte[] valueArray = new byte[byteBuffer.remaining()];
byteBuffer.get(valueArray);
String decodeVaule = new String(valueArray);

但是JDK自带的ByteBuffer并不足够完美，它有以下缺陷：

• ByteBuffer长度固定，一旦分配完成，它的容量不能动态扩展和收缩，当需要编码的POJO对象大于ByteBuffer的容量时，会发生索引越界异常；
• ByteBuffer只有一个标识位控的指针position,读写的时候需要手工调用flip()和rewind()等，使用者必须小心谨慎地处理这些API,否则很容易导致程序处理失败；
• ByteBuffer的API功能有限，一些高级和实用的特性它不支持，需要使用者自己编程实现。

ByteBuf

大名鼎鼎的通信框架netty为了解决ByteBuffer的缺陷，重写了一个新的数据接口ByteBuf。
与ByteBuffer相比，ByteBuf提供了两个指针，分别记录读和写的操作位置。
初始分配的ByteBuf：

初始分配的ByteBuf

写入N个字节之后的ByteBuf：

写入N个字节之后的ByteBuf

读取M(

读取M(

调用discardReadBytes操作之后的ByteBuf：

调用discardReadBytes操作之后的ByteBuf

调用clear操作之后的ByteBuf：

调用clear操作之后的ByteBuf

字节缓冲区

netty为了进一步优化提升性能，支持了堆外缓冲区。

属性	Heap buffer	Direct Buffer
位置	堆内	堆外
内存分配速度	快	慢
内粗能回收速度	快	慢
Socket的I/O读写	需要额外的内存复制	不需要额外的内存复制

netty官方有一句描述了使用直接缓冲区的风险。

allocating many short-lived direct NIO buffers often causes an OutOfMemoryError.

为了更高效地使用堆外缓冲区，netty通过内存池和引用计数很好地绕开了Direct Buffer的劣势，发扬了它的优势。

关于zero copy

Netty的零拷贝体现在三个方面：

• Direct Buffers
• Composite Buffers
• FileChannel.transferTo

参考资料

Cache 和 Buffer 都是缓存，主要区别是什么？
IO、NIO、Netty
Using as a generic library
Netty中的零拷贝