Netty如何高效接收网络数据？聊透ByteBuffer动态自适应扩缩 七

5. 使用堆外内存为ByteBuffer分配内存

AdaptiveRecvByteBufAllocator类只是负责动态调整ByteBuffer的容量，而具体为ByteBuffer申请内存空间的是由PooledByteBufAllocator负责。

 

5.1 类名前缀Pooled的来历

在我们使用Java进行日常开发过程中，在为对象分配内存空间的时候我们都会选择在JVM堆中为对象分配内存，这样做对我们Java开发者特别的友好，我们只管使用就好而不必过多关心这块申请的内存如何回收，因为JVM堆完全受Java虚拟机控制管理，Java虚拟机会帮助我们回收不再使用的内存。

 

但是JVM在进行垃圾回收时候的stop the world会对我们应用程序的性能造成一定的影响。

 

除此之外我们在?《聊聊Netty那些事儿之从内核角度看IO模型》一文中介绍IO模型的时候提到，当数据达到网卡时，网卡会通过DMA的方式将数据拷贝到内核空间中，这是第一次拷贝。当用户线程在用户空间发起系统IO调用时，CPU会将内核空间的数据再次拷贝到用户空间。这是第二次拷贝。

 

于此不同的是当我们在JVM中发起IO调用时，比如我们使用JVM堆内存读取Socket接收缓冲区中的数据时，会多一次内存拷贝，CPU在第二次拷贝中将数据从内核空间拷贝到用户空间时，此时的用户空间站在JVM角度是堆外内存，所以还需要将堆外内存中的数据拷贝到堆内内存中。这就是第三次内存拷贝。

 

同理当我们在JVM中发起IO调用向Socket发送缓冲区写入数据时，JVM会将IO数据先拷贝到堆外内存，然后才能发起系统IO调用。

 

那为什么操作系统不直接使用JVM的堆内内存进行IO操作呢？

 

因为JVM的内存布局和操作系统分配的内存是不一样的，操作系统不可能按照JVM规范来读写数据，所以就需要第三次拷贝中间做个转换将堆外内存中的数据拷贝到JVM堆中。

 
所以基于上述内容，在使用JVM堆内内存时会产生以下两点性能影响：

 

1.JVM在垃圾回收堆内内存时，会发生stop the world导致应用程序卡顿。

2.在进行IO操作的时候，会多产生一次由堆外内存到堆内内存的拷贝。

基于以上两点使用JVM堆内内存对性能造成的影响，于是对性能有卓越追求的Netty采用堆外内存也就是DirectBuffer来为ByteBuffer分配内存空间。

 

采用堆外内存为ByteBuffer分配内存的好处就是：

 

•堆外内存直接受操作系统的管理，不会受JVM的管理，所以JVM垃圾回收对应用程序的性能影响就没有了。

 

•网络数据到达之后直接在堆外内存上接收，进程读取网络数据时直接在堆外内存中读取，所以就避免了第三次内存拷贝。

所以Netty在进行 I/O 操作时都是使用的堆外内存，可以避免数据从 JVM 堆内存到堆外内存的拷贝。但是由于堆外内存不受JVM的管理，所以就需要额外关注对内存的使用和释放，稍有不慎就会造成内存泄露，于是Netty就引入了内存池对堆外内存进行统一管理。

 

PooledByteBufAllocator类的这个前缀Pooled就是内存池的意思，这个类会使用Netty的内存池为ByteBuffer分配堆外内存。

 

5.2 PooledByteBufAllocator的创建

创建时机

在服务端NioServerSocketChannel的配置类NioServerSocketChannelConfig以及客户端NioSocketChannel的配置类NioSocketChannelConfig实例化的时候会触发

PooledByteBufAllocator的创建。

public class DefaultChannelConfig implements ChannelConfig {
    //PooledByteBufAllocator
    private volatile ByteBufAllocator allocator = ByteBufAllocator.DEFAULT;

    ..........省略......
}

创建出来的PooledByteBufAllocator实例保存在DefaultChannelConfig类中的ByteBufAllocator allocator字段中。

 

创建过程

public interface ByteBufAllocator {

    ByteBufAllocator DEFAULT = ByteBufUtil.DEFAULT_ALLOCATOR;
    
    ..................省略............
}

public final class ByteBufUtil {

    static final ByteBufAllocator DEFAULT_ALLOCATOR;

    static {
        String allocType = SystemPropertyUtil.get(
                "io.netty.allocator.type", PlatformDependent.isAndroid() ? "unpooled" : "pooled");
        allocType = allocType.toLowerCase(Locale.US).trim();

        ByteBufAllocator alloc;
        if ("unpooled".equals(allocType)) {
            alloc = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT;
            logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
        } else if ("pooled".equals(allocType)) {
            alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
            logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
        } else {
            alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
            logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: pooled (unknown: {})", allocType);
        }

        DEFAULT_ALLOCATOR = alloc;
        
        ...................省略..................
    }
}

从ByteBufUtil类的初始化过程我们可以看出，在为ByteBuffer分配内存的时候是否使用内存池在Netty中是可以配置的。

 

•通过系统变量-D io.netty.allocator.type 可以配置是否使用内存池为ByteBuffer分配内存。默认情况下是需要使用内存池的。但是在安卓系统中默认是不使用内存池的。

 

•通过PooledByteBufAllocator.DEFAULT获取内存池ByteBuffer分配器。

   public static final PooledByteBufAllocator DEFAULT =
            new PooledByteBufAllocator(PlatformDependent.directBufferPreferred());

由于本文的主线是介绍Sub Reactor处理OP_READ事件的完整过程，所以这里只介绍主线相关的内容，这里只是简单介绍下在接收数据的时候为什么会用PooledByteBufAllocator来为ByteBuffer分配内存。而内存池的架构设计比较复杂，所以笔者后面会单独写一篇关于Netty内存管理的文章。
 
总结

本文介绍了Sub Reactor线程在处理OP_READ事件的整个过程。并深入剖析了AdaptiveRecvByteBufAllocator类动态调整ByteBuffer容量的原理。

 

同时也介绍了Netty为什么会使用堆外内存来为ByteBuffer分配内存，并由此引出了Netty的内存池分配器PooledByteBufAllocator 。

 

在介绍AdaptiveRecvByteBufAllocator类和PooledByteBufAllocator一起组合实现动态地为ByteBuffer分配容量的时候，笔者不禁想起了多年前看过的《Effective Java》中第16条 复合优先于继承。

 

Netty在这里也遵循了这条军规，首先两个类设计的都是单一的功能。

 

•AdaptiveRecvByteBufAllocator类只负责动态的调整ByteBuffer容量，并不管具体的内存分配。

 

•PooledByteBufAllocator类负责具体的内存分配，用内存池的方式。

这样设计的就比较灵活，具体内存分配的工作交给具体的ByteBufAllocator,可以使用内存池的分配方式PooledByteBufAllocator，也可以不使用内存池的分配方式UnpooledByteBufAllocator。具体的内存可以采用JVM堆内内存（HeapBuffer），也可以使用堆外内存（DirectBuffer）。

 

而AdaptiveRecvByteBufAllocator只需要关注调整它们的容量工作就可以了，而并不需要关注它们具体的内存分配方式。

 

最后通过io.netty.channel.RecvByteBufAllocator.Handle#allocate方法灵活组合不同的内存分配方式。这也是装饰模式的一种应用。

byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);