Netty 源码分析 —— NIO 基础（五）之零拷贝与其它源码解读

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我准备战斗到最后，不是因为我勇敢，是我想见证一切。 --双雪涛《猎人》

[TOC]
Thinking

1. 一个技术，为什么要用它，解决了那些问题？
2. 如果不用会怎么样，有没有其它的解决方法？
3. 对比其它的解决方案，为什么最终选择了这种，都有何利弊？
4. 你觉得项目中还有那些地方可以用到，如果用了会带来那些问题？
5. 这些问题你又如何去解决的呢？

本文基于Netty 4.1.45.Final-SNAPSHOT

1、NIO堆外内存与零拷贝

​

NIO堆外内存

​ 在上述NIO Buffer 讲解中，我们隐约的提到过为什么要使用Direct Buffer小节中提到过直接内存（堆外内存）与堆内存（Non - Direct Buffer）的区别：

这里会涉及到 Java 的内存模型

Direct Buffer:

• 所分配的内存不在 JVM 堆上, 不受 GC 的管理.(但是 Direct Buffer 的 Java 对象是由 GC 管理的（会将内存地址映射到一个标记上）, 因此当发生 GC, 对象被回收时, Direct Buffer 也会被释放)
• 因为 Direct Buffer 不在 JVM 堆上分配, 因此 Direct Buffer 对应用程序的内存占用的影响就不那么明显(实际上还是占用了这么多内存, 但是 JVM 不好统计到非 JVM 管理的内存.)
• 申请和释放 Direct Buffer 的开销比较大. 因此正确的使用 Direct Buffer 的方式是在初始化时申请一个 Buffer, 然后不断复用此 buffer, 在程序结束后才释放此 buffer.
• 使用 Direct Buffer 时, 当进行一些底层的系统 IO 操作时, 效率会比较高, 因为此时 JVM 不需要拷贝 buffer 中的内存到中间临时缓冲区中.

Non-Direct Buffer:

• 直接在 JVM 堆上进行内存的分配, 本质上是 byte[] 数组的封装.
• 因为 Non-Direct Buffer 在 JVM 堆中, 因此当进行操作系统底层 IO 操作中时, 会将此 buffer 的内存复制到中间临时缓冲区中. 因此 Non-Direct Buffer 的效率就较低.

总结对比：

• 之所以使用堆外内存，是为了避免每次使用buffe如对象时，都会将此对象复制到中间林是缓冲区中，因此Non-Direct Buffer效率会非常低下。
• 堆外内存（直接内存--direct byte buffer）则可以直接使用，避免了对象的复制，提高了效率。

基于上述总结，我们先看一下下面创建Buffer 的两种方法的代码：

    @Test
    public void test01() throws Exception {
        FileInputStream in = new FileInputStream("src/main/resources/data/DirectorBuffer.txt");
        FileOutputStream out = new FileOutputStream("src/main/resources/data/DirectorBuffer-out.txt");

        // 获取文件Channel
        FileChannel inChannel = in.getChannel();
        FileChannel outChannel = out.getChannel();

        // 普通获取Buffer
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 获取 堆外内存 Buffer
        ByteBuffer allocateDirect = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        // 从源码 分析两种的区别。
        int count = inChannel.read(allocate);
        while (count != -1) {
            log.info("read :{}", count);
            allocate.flip();

            outChannel.write(allocate);
            allocate.clear();
            // 防止死循环
            count = inChannel.read(allocate);
        }
        inChannel.close();
        outChannel.close();
    }
}

• ByteBuffer.allocate(1024);跟随进入源码：

•     public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
          if (capacity < 0)
              throw new IllegalArgumentException();
          return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
      }
  
      HeapByteBuffer(int cap, int lim) {            // package-private
  
          super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
          /*
          hb = new byte[cap];
          offset = 0;
          */
      }
  

• 该方法是直接new HeapByteBuffer 对象，在堆内存中直接申请字节数组内存空间用于存储数据。

  • 直接在 JVM 堆上进行内存的分配, 本质上是 byte[] 数组的封装.
  • 但是在每次使用时，都会设计到copy操作，性能会低下。

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• ByteBuffer.allocateDirect(1024)创建堆外内存。

• // Allocates a new direct byte buffer. 分配一个新的直接字节缓冲区
  public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
          return new DirectByteBuffer(capacity);
      }
  
      DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private
  
          super(-1, 0, cap, cap);
          boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned(); // 《1》
          int ps = Bits.pageSize();
          long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
          Bits.reserveMemory(size, cap);
  
          long base = 0;
          try {
              base = unsafe.allocateMemory(size); // 《2》
          } catch (OutOfMemoryError x) {
              Bits.unreserveMemory(size, cap);
              throw x;
          }
          unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
          if (pa && (base % ps != 0)) {
              // Round up to page boundary
              address = base + ps - (base & (ps - 1));
          } else {
              address = base; // 《3》
          }
          cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
          att = null;
      }
  

• 从源码中看出，其实都是用的NEW关键字，宏观角度上两种方式创建的对象都是在堆内存中的。但是new DirectByteBuffer(capacity)则是基于堆外内存（直接内存 Direct）。在上述源码中导入的包设计到

  import sun.misc.Cleaner;
  import sun.misc.Unsafe;
  import sun.misc.VM;
  

  从这个角度也可以看出，这些以sun开头的类（JDK中为本地方法，非开源的。）

• 《1》处，VM.isDirectMemoryPageAligned()本地方法的调用。

• 《2》处：调用Unsafe方法用于分配内存。unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0)设置内存。（这些方法都是native 本地方法。）

• 《3》处：将分配到的内存地址 映射到该标记。（该标记为底层父类Buffer 中维护的一个成员变量 long address --->因为在堆外内存中生成的数据，必须有个映射地址，不然JVM 并不能找到该对象，因为堆外内存并不受JVM管理。）

  • // Used only by direct buffers 只适用于直接缓冲区
    // NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress ->  static native long getDirectBufferAddress(Buffer var0);
    // 为了提高速度，将其悬挂在JNI GetDirectBufferAddress中
    long address;
    

图解Direct Memory/Non Direct Memory

具体的堆外内存映射关系

• 上图所示：提到两个问题
  • JVM管理内的堆内存中的对象具体是怎么进行I/O操作的。
  • 为何要引入这种机制，使用堆外内存呢？
  • 那么在ByteBuffer创建的堆外内存对象是否被JVM管理呢？GC是否会回收该类对象呢？

问题

JVM管理内的堆内存中的对象具体是怎么进行I/O操作的。

​ 当我们使用创建对象时，大多是new出来的对象都是存放在堆内存中的，受jvm管理。受GC的管理。

当对内存中的对象进行I/O操作时，JVM会将堆内中的对象数据完整的copy一份到堆外内存（物理内存）中，再由该物理内存中的对象进行具体的I/O操作。

这样一来，在堆内的对象或者数据需要进行I/O操作时，都需要进行一步copy操作。（这里就引入了 NIO中的领copy操作了。后续详解。）

为何要引入这种机制，使用堆外内存呢？

​ 就是为了性能。

1. 使用堆外内存，减少了垃圾回收机制（GC会暂停其他的工作）
2. 加快了I/O操作的进度
   1. 堆内在flush到远程时，会先复制到直接内存中，然后在发送。
   2. 而堆外内存（本身就是物理机内存）几乎省略了这步。

那么在ByteBuffer创建的堆外内存对象是否被JVM管理呢？GC是否会回收该类对象呢？

​ 使用ByteBuffer创建的直接缓冲对象实际上是受JVM管理的。其他使用Unsafe创建的堆外内存对象则完全由自己控制。

ByteBuffer allocateDirect = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

当这段代码执行会在堆外内存中占用1k的内存，Java堆内只会占用一个对象的指针引用大小。（顶层父类中维护的成员变量 address）

    // Used only by direct buffers
    // NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress
    long address;

堆外的这1k的空间只有当bb对象被回收时，才会被回收，这里会发现一个明显的不对称现象，就是堆外可能占用了很多，而堆内没占用多少，导致还没触发GC，那就很容易出现Direct Memory造成物理内存耗光。（物理内存可以扩展到很大很大。这里提及到的只是极端情况。）

*DirectByteBuffer**分配出去的内存其实也是由**GC**负责回收的，而不像**Unsafe**是完全自行管理的***，Hotspot在GC时会扫描DirectByteBuffer对象是否有引用，如没有则同时也会回收其占用的堆外内存。

使用堆外内存与对象池都能减少GC的暂停时间，这是它们唯一的共同点。生命周期短的可变对象，创建开销大，或者生命周期虽长但存在冗余的可变对象都比较适合使用对象池。生命周期适中，或者复杂的对象则比较适合由GC来进行处理。然而，中长生命周期的可变对象就比较棘手了，堆外内存则正是它们的菜。

堆外内存的好处

1. 可以扩展至更大的内存空间。比如超过1TB甚至比主存还大的空间;

2. 理论上能减少GC暂停时间;

3. 可以在进程间共享，减少JVM间的对象复制，使得JVM的分割部署更容易实现;

4. 它的持久化存储可以支持快速重启，同时还能够在测试环境中重现生产数据

2、零拷贝 zero copy

​ 上面探讨的所有内容，其实已经完整的带出了零拷贝。

ByteBuffer创建的直接缓冲区就是利用零拷贝，来提高性能的。

堆外内存中的数据进行I/O操作时，不用将数据拷贝到堆外内存中去，所以就节省了一次拷贝操作（不用进行拷贝操作），所以成为零拷贝。

Netty 充分的利用此种操作，用来大大的提升了性能与速度。（高性能）

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3、内存映射 MappedByteBuffer

​ 用于直接内存映射操作。深入浅出MappedByteBuffer

4、Selector 选择器源码解析

​ 深入浅出NIO之Selector实现原理

//TODO

JNI(Java Native Interface)

引用：

​ JAVA堆内内存、堆外内存

本文仅供笔者本人学习，有错误的地方还望指出，一起进步！望海涵！

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