netty源码解解析(4.0)-22 ByteBuf的I/O

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ByteBuf的I/O主要解决的问题有两个:

管理readerIndex和writerIndex。这个在在AbstractByteBuf中解决。
从内存中读写数据。ByteBuf的不同实现主要使用两种内存：堆内存表示为byte[]；直接内，可能是DirectByteBuffer或者是一块裸内存。这个问题在HeapByteBufUtil, UnsafeByteBufUtil中解决。

管理readerIndex和writerIndex

AbstractByteBuf中实现了对readerIndex和writerIndex的管理。下面以int数据的读写为例说明这两个属性的管理机制。

readerIndex

@Override

public int readInt() {

    checkReadableBytes0(4);

    int v = _getInt(readerIndex);

    readerIndex += 4;

    return v;

}

这个方法是从ByteBuf中读取一个int数据.

第一步: checkReadableBytes0(4), 确保ByteBuf中有至少4个Byte的数据。
第二步: _getInt从readerIndex指定的位置读取4个Byte的数据，并反序列化成一个int。
第三步: readerIndex的值增加4。

还有一个getInt方法，它也能从ByteBuf读出一个int数据，不同的是这个方法需要指定读取位置，也不会影响readerIndex的值。

如果有需要，还能使用readerIndex(int readerIndex)方法，设置readerIndex的值。

可以调用markedReaderIndex()把当前的readerIndex值保存到markedReaderIndex属性。在有需要的时候可以调用resetReaderIndex()把markedReaderIndex属性的值恢复到readerIndex。

writerIndex

@Override

public ByteBuf writeInt(int value) {

    ensureWritable0(4);

    _setInt(writerIndex, value);

    writerIndex += 4;

    return this;

}

这个方法是向ByteBuf中写入一个int数据。

第一步: ensureWritable0(4), 检查确保ByteBuf中有4个Byte的可写空间。
第二步: _setInt把int数据写入到writerIndex指定的位置，写之前会把int数据方序列化成4个Byte的数据。
第三步: writerIndex值增加4。

setInt方法向ByteBuf写入一个int数据，不影响writerIndex。

markWriterIndex和resetWriterIndex分别用来标记和恢复writerIndex。

不同数据类型对readerIndex和writerIndex影响取决于数据的长度。每种数据类型的长度在上一章中有详细描述。 Bytes数据相对要复杂一些，后面会详述。

AbstractByteBuf定义的抽象的接口

AbstractByteBuf这个抽象类主要实现对readerIndex和writerIndex的管理。它把真正的I/O操实现留给子类。

以int类型的数据读写为例，它定义了两个抽象接口分别从指定位置读写数据: _getInt(int index), _setInt(int index, int value)。此外还有另外4组抽象方法，用来实现不同类型数据的读写:

_getByte, setByte
_getShort, setShort
_getUnsignedMedium, _setMedium
_getLong, _getLong

浮点数据的I/O

浮点数是IEEE定义的标准内存内存结构，较整数要复杂一些。AbstractByteBuf使用int的I/O方法处理float数据，使用long的I/O方法处理double数据。下面是writeDouble的实现:

 @Override

 public double readDouble() {

     return Double.longBitsToDouble(readLong());

 }

@Override

public ByteBuf writeDouble(double value) {

    writeLong(Double.doubleToRawLongBits(value));

    return this;

}

读的时候是先读出一个long数据，然后调用longBitsToDouble把long转换成double。写的时候先调用doubletoRawLongBits把double转换成long, 然后写入long数据。

对float数据的处理类似，这里就不再赘述。

Bytes数据的I/O

ByteBuf定义了5中不同类型的Bytes: byte[], ByteBuffer, InputStream, OutputStream, ScatteringByteChannel。其中byte[]和ByteBuffer有最大长度限制，读写的时候可以指定长度，也可以不指定。另外3种长度不确定，必须要指定长度，下面以byte[]为例看一下Bytes I/O的实现。

Bytes读

@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)方法没有指定长度默认会读取dst最大长度的的数据。

readBytes(dst, dstIndex, length)方法指定的dst的起始位置和长度，把读取的数据放到dst的dst[dstIndex]到dst[dstIndex+length]区间内。同时他还负责管理readerIndex。

getBytes(index, dst, dstIndex, length)方法是功能最强大的方法，留给子类实现。

Bytes写

@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)写入整个src的数据。

writeBytes(src, srcIndex, length)指定src的起始位置和长度，把src中src[srcIndex]到src[srcIndex+length]区间的数据写入到ByteBuf。同时它还负责管理writerIndex。

setBytes(index, src, srcIndex, length)是功能最强大的写方法，留给子类实现。

不同内存对I/O操作的影响

前面讲到ByteBuf主要使用两种内存。堆内存可以表示为byte[]对象，直接内存可以表示为内存的首地址address, 和内存大小size, 内存的范围是(address, addrress+size]。本质上它们都是一维数组，不同的是，java语言提供了对byte[]类型的支持，而直接内可以通过DirectBuffer访问，如果支持Unsafe还可以通过sun.misc.Unsafe提供的方法访问。如果要读取byte[4]的数据，byte[]可以这样：

//假设src是一个byte[], 长度大于4

byte[] dst = byte[4];

for(int i = 0; i < 4; ++ i) dst[i] = src[i];

而直接内存是这样

//假设src是DirectByteBuffer

byte[] dst = byte[4];

for(int i = 0; i < 4; ++ i) dst[i] = src.get(i);

//如果使用Unsafe，假设address是内存的首地址，size > 4. unsafe是sun.misc.Unsafe对象

byte[] dst = byte[4];

for(int i = 0; i < 4; ++ i) dest[i] = unsafe.getByte(address+i);

针对不同内存的I/O操作工具

Netty提供了一个堆内存I/O操作的工具类: HeapByteBufUtil。一个使用 sun.misc.Unsafe的直接内存I/O操作的工具类: UnsafeByteBufUtil。

下面以long类型数据的I/O为例，比较两者内存操作方式的不同之处。

堆内存:

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;

   }

这个是BIG_ENDIAN字节序的算法。再看一下直接内存的的代码:

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);

    }

这两段代码在BIG_ENDIAN的字节序编码算法上并无区别。他们的区别在于读写byte数据方式上，一个使用[]运算符，一个使用getByte和putByte方法。

正文

管理readerIndex和writerIndex

readerIndex
`@Override public int readInt() { checkReadableBytes0(4); int v = _getInt(readerIndex); readerIndex += 4; return v; }`

writerIndex
`@Override public ByteBuf writeInt(int value) { ensureWritable0(4); _setInt(writerIndex, value); writerIndex += 4; return this; }`

AbstractByteBuf定义的抽象的接口

浮点数据的I/O

Bytes数据的I/O

不同内存对I/O操作的影响

针对不同内存的I/O操作工具

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管理readerIndex和writerIndex

readerIndex @Override public int readInt() { checkReadableBytes0(4); int v = _getInt(readerIndex); readerIndex += 4; return v; }

writerIndex @Override public ByteBuf writeInt(int value) { ensureWritable0(4); _setInt(writerIndex, value); writerIndex += 4; return this; }

AbstractByteBuf定义的抽象的接口

浮点数据的I/O

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readerIndex
`@Override public int readInt() { checkReadableBytes0(4); int v = _getInt(readerIndex); readerIndex += 4; return v; }`

writerIndex
`@Override public ByteBuf writeInt(int value) { ensureWritable0(4); _setInt(writerIndex, value); writerIndex += 4; return this; }`