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精尽 Netty 源码解析 —— Buffer 之 ByteBufAllocator（一）简介

1. 概述

本文，我们来分享 ByteBufAllocator 。它是 ByteBuf 的分配器，负责创建 ByteBuf 对象。它的子类类图如下：类图

主要有三个子类：

PreferHeapByteBufAllocator ，倾向创建 Heap ByteBuf 的分配器。
PooledByteBufAllocator ，基于内存池的 ByteBuf 的分配器。
UnpooledByteBufAllocator ，普通的 ByteBuf 的分配器。

本文分享上面类图红框部分，后面两篇文章再分别分享 UnpooledByteBufAllocator 和 PooledByteBufAllocator 。

2. ByteBufAllocator

io.netty.buffer.ByteBufAllocator ，ByteBuf 分配器接口。

还是老样子，我们逐个来看看每个方法。

2.1 DEFAULT

ByteBufAllocator DEFAULT = ByteBufUtil.DEFAULT_ALLOCATOR;

默认 ByteBufAllocator 对象，通过 ByteBufUtil.DEFAULT_ALLOCATOR 中获得。代码如下：

static final ByteBufAllocator DEFAULT_ALLOCATOR;

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

    // 读取 ByteBufAllocator 对象
    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;

    // ... 省略无关代码
}

在非 Android 环境下，使用 PooledByteBufAllocator 作为默认 ByteBufAllocator 对象。
在 Android 环境下，使用 UnpooledByteBufAllocator 作为默认 ByteBufAllocator 对象。因为 Android 客户端的内存相对有限。

2.2 buffer

#buffer(...) 方法，创建一个 ByteBuf 对象。具体创建的是 Heap ByteBuf 还是 Direct ByteBuf ，由实现类决定。

/**
 * Allocate a {@link ByteBuf}. If it is a direct or heap buffer
 * depends on the actual implementation.
 */
ByteBuf buffer();
ByteBuf buffer(int initialCapacity);
ByteBuf buffer(int initialCapacity, int maxCapacity);

2.2.1 ioBuffer

#ioBuffer(...) 方法，创建一个用于 IO 操作的 ByteBuf 对象。倾向于 Direct ByteBuf ，因为对于 IO 操作来说，性能更优。

/**
 * Allocate a {@link ByteBuf}, preferably a direct buffer which is suitable for I/O.
 */
ByteBuf ioBuffer();
ByteBuf ioBuffer(int initialCapacity);
ByteBuf ioBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);

2.2.2 heapBuffer

#heapBuffer(...) 方法，创建一个 Heap Buffer 对象。代码如下：

/**
 * Allocate a heap {@link ByteBuf}.
 */
ByteBuf heapBuffer();
ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity);
ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);

2.2.3 directBuffer

#directBuffer(...) 方法，创建一个 Direct Buffer 对象。代码如下：

/**
 * Allocate a direct {@link ByteBuf} with the given initial capacity.
 */
ByteBuf directBuffer(int initialCapacity);
ByteBuf directBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);
CompositeByteBuf compositeBuffer();

2.3 compositeBuffer

#compositeBuffer(...) 方法，创建一个 Composite ByteBuf 对象。具体创建的是 Heap ByteBuf 还是 Direct ByteBuf ，由实现类决定。

/**
 * Allocate a {@link CompositeByteBuf}.
 * If it is a direct or heap buffer depends on the actual implementation.
 */
CompositeByteBuf compositeBuffer();
CompositeByteBuf compositeBuffer(int maxNumComponents);

2.3.1 compositeHeapBuffer

#compositeHeapBuffer(...) 方法，创建一个 Composite Heap ByteBuf 对象。代码如下：

/**
 * Allocate a heap {@link CompositeByteBuf}.
 */
CompositeByteBuf compositeHeapBuffer();
CompositeByteBuf compositeHeapBuffer(int maxNumComponents);

2.3.2 compositeDirectBuffer

#compositeDirectBuffer(...) 方法，创建一个 Composite Direct ByteBuf 对象。代码如下：

/**
 * Allocate a direct {@link CompositeByteBuf}.
 */
CompositeByteBuf compositeDirectBuffer();
CompositeByteBuf compositeDirectBuffer(int maxNumComponents);

2.4 isDirectBufferPooled

#isDirectBufferPooled() 方法，是否基于 Direct ByteBuf 对象池。代码如下：

/**
 * Returns {@code true} if direct {@link ByteBuf}'s are pooled
 */
boolean isDirectBufferPooled();

2.5 calculateNewCapacity

#calculateNewCapacity(int minNewCapacity, int maxCapacity) 方法，在 ByteBuf 扩容时，计算新的容量，该容量的值在 [minNewCapacity, maxCapacity] 范围内。代码如下：

/**
 * Calculate the new capacity of a {@link ByteBuf} that is used when a {@link ByteBuf} needs to expand by the
 * {@code minNewCapacity} with {@code maxCapacity} as upper-bound.
 */
int calculateNewCapacity(int minNewCapacity, int maxCapacity);

3. AbstractByteBufAllocator

io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator ，实现 ByteBufAllocator 接口，ByteBufAllocator 抽象实现类，为 PooledByteBufAllocator 和 UnpooledByteBufAllocator 提供公共的方法。

3.1 构造方法

/**
 * 是否倾向创建 Direct ByteBuf
 */
private final boolean directByDefault;
/**
 * 空 ByteBuf 缓存
 */
private final ByteBuf emptyBuf;

/**
 * Instance use heap buffers by default
 */
protected AbstractByteBufAllocator() {
    this(false);
}

/**
 * Create new instance
 *
 * @param preferDirect {@code true} if {@link #buffer(int)} should try to allocate a direct buffer rather than
 *                     a heap buffer
 */
protected AbstractByteBufAllocator(boolean preferDirect) {
    directByDefault = preferDirect && PlatformDependent.hasUnsafe(); // 支持 Unsafe
    emptyBuf = new EmptyByteBuf(this);
}

directByDefault 属性，是否倾向创建 Direct ByteBuf 。有一个前提是需要支持 Unsafe 操作。
emptyBuf 属性，空 ByteBuf 缓存对象。用于 #buffer() 等方法，创建空 ByteBuf 对象时。

3.2 buffer

@Override
public ByteBuf buffer() {
    if (directByDefault) {
        return directBuffer();
    }
    return heapBuffer();
}
@Override
public ByteBuf buffer(int initialCapacity) {
    if (directByDefault) {
        return directBuffer(initialCapacity);
    }
    return heapBuffer(initialCapacity);
}
@Override
public ByteBuf buffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    if (directByDefault) {
        return directBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
    }
    return heapBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}

根据 directByDefault 的值，调用 #directBuffer(...) 方法，还是调用 #heapBuffer(...) 方法。

3.2.1 ioBuffer

/**
 * 默认容量大小
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 256;

@Override
public ByteBuf ioBuffer() {
    if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
        return directBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    return heapBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}

@Override
public ByteBuf ioBuffer(int initialCapacity) {
    if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
        return directBuffer(initialCapacity);
    }
    return heapBuffer(initialCapacity);
}

@Override
public ByteBuf ioBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
        return directBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
    }
    return heapBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}

根据是否支持 Unsafe 操作的情况，调用 #directBuffer(...) 方法，还是调用 #heapBuffer(...) 方法。

3.2.2 heapBuffer

/**
 * 默认最大容量大小，无限。
 */
static final int DEFAULT_MAX_CAPACITY = Integer.MAX_VALUE;

@Override
public ByteBuf heapBuffer() {
    return heapBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_MAX_CAPACITY);
}

@Override
public ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity) {
    return heapBuffer(initialCapacity, DEFAULT_MAX_CAPACITY);
}

@Override
public ByteBuf heapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    // 空 ByteBuf 对象
    if (initialCapacity == 0 && maxCapacity == 0) {
        return emptyBuf;
    }
    validate(initialCapacity, maxCapacity); // 校验容量的参数
    // 创建 Heap ByteBuf 对象
    return newHeapBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}

最终调用 #newHeapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) 抽象方法，创建 Heap ByteBuf 对象。代码如下：
/**
* Create a heap {@link ByteBuf} with the given initialCapacity and maxCapacity.
*/
protected abstract ByteBuf newHeapBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);
- 因为是否基于对象池的方式，创建 Heap ByteBuf 对象的实现会不同，所以需要抽象。

3.2.3 directBuffer

@Override
public ByteBuf directBuffer() {
    return directBuffer(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_MAX_CAPACITY);
}

@Override
public ByteBuf directBuffer(int initialCapacity) {
    return directBuffer(initialCapacity, DEFAULT_MAX_CAPACITY);
}

@Override
public ByteBuf directBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    // 空 ByteBuf 对象
    if (initialCapacity == 0 && maxCapacity == 0) {
        return emptyBuf;
    }
    validate(initialCapacity, maxCapacity); // 校验容量的参数
    // 创建 Direct ByteBuf 对象
    return newDirectBuffer(initialCapacity, maxCapacity);
}

最终调用 #newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) 抽象方法，创建 Direct ByteBuf 对象。代码如下：
/**
* Create a direct {@link ByteBuf} with the given initialCapacity and maxCapacity.
*/
protected abstract ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity);
- 因为是否基于对象池的方式，创建 Direct ByteBuf 对象的实现会不同，所以需要抽象。

3.3 compositeBuffer

@Override
public CompositeByteBuf compositeBuffer() {
    if (directByDefault) {
        return compositeDirectBuffer();
    }
    return compositeHeapBuffer();
}

@Override
public CompositeByteBuf compositeBuffer(int maxNumComponents) {
    if (directByDefault) {
        return compositeDirectBuffer(maxNumComponents);
    }
    return compositeHeapBuffer(maxNumComponents);
}

根据 directByDefault 的值，调用 #compositeDirectBuffer(...) 方法，还是调用 #compositeHeapBuffer(...) 方法。

3.3.1 compositeHeapBuffer

/**
 * Composite ByteBuf 可包含的 ByteBuf 的最大数量
 */
static final int DEFAULT_MAX_COMPONENTS = 16;

@Override
public CompositeByteBuf compositeHeapBuffer() {
    return compositeHeapBuffer(DEFAULT_MAX_COMPONENTS);
}

@Override
public CompositeByteBuf compositeHeapBuffer(int maxNumComponents) {
    return toLeakAwareBuffer(new CompositeByteBuf(this, false, maxNumComponents));
}

创建 CompositeByteBuf 对象，并且方法参数 direct 为 false ，表示 Heap 类型。
调用 #toLeakAwareBuffer(CompositeByteBuf) 方法，装饰成 LeakAware 的 ByteBuf 对象。

3.3.2 compositeDirectBuffer

@Override
public CompositeByteBuf compositeDirectBuffer() {
    return compositeDirectBuffer(DEFAULT_MAX_COMPONENTS);
}

@Override
public CompositeByteBuf compositeDirectBuffer(int maxNumComponents) {
    return toLeakAwareBuffer(new CompositeByteBuf(this, true, maxNumComponents));
}

创建 CompositeByteBuf 对象，并且方法参数 direct 为 true ，表示 Direct 类型。
调用 #toLeakAwareBuffer(CompositeByteBuf) 方法，装饰成 LeakAware 的 ByteBuf 对象。

3.4 toLeakAwareBuffer

在《精尽 Netty 源码解析 —— Buffer 之 ByteBuf（三）内存泄露检测》中的「3.1 创建 LeakAware ByteBuf 对象」小节，已经详细解析。

3.5 calculateNewCapacity

/**
 * 扩容分界线，4M
 */
static final int CALCULATE_THRESHOLD = 1048576 * 4; // 4 MiB page

  1: @Override
  2: public int calculateNewCapacity(int minNewCapacity, int maxCapacity) {
  3:     if (minNewCapacity < 0) {
  4:         throw new IllegalArgumentException("minNewCapacity: " + minNewCapacity + " (expected: 0+)");
  5:     }
  6:     if (minNewCapacity > maxCapacity) {
  7:         throw new IllegalArgumentException(String.format(
  8:                 "minNewCapacity: %d (expected: not greater than maxCapacity(%d)",
  9:                 minNewCapacity, maxCapacity));
 10:     }
 11:     final int threshold = CALCULATE_THRESHOLD; // 4 MiB page
 12: 
 13:     // <1> 等于 threshold ，直接返回 threshold 。
 14:     if (minNewCapacity == threshold) {
 15:         return threshold;
 16:     }
 17: 
 18:     // <2> 超过 threshold ，增加 threshold ，不超过 maxCapacity 大小。
 19:     // If over threshold, do not double but just increase by threshold.
 20:     if (minNewCapacity > threshold) {
 21:         int newCapacity = minNewCapacity / threshold * threshold;
 22:         if (newCapacity > maxCapacity - threshold) { // 不超过 maxCapacity
 23:             newCapacity = maxCapacity;
 24:         } else {
 25:             newCapacity += threshold;
 26:         }
 27:         return newCapacity;
 28:     }
 29: 
 30:     // <3> 未超过 threshold ，从 64 开始两倍计算，不超过 4M 大小。
 31:     // Not over threshold. Double up to 4 MiB, starting from 64.
 32:     int newCapacity = 64;
 33:     while (newCapacity < minNewCapacity) {
 34:         newCapacity <<= 1;
 35:     }
 36:     return Math.min(newCapacity, maxCapacity);
 37: }

按照 CALCULATE_THRESHOLD 作为分界线，分成 3 种情况：<1>/<2>/<3> 。代码比较简单，胖友自己看注释。

4. PreferHeapByteBufAllocator

io.netty.channel.PreferHeapByteBufAllocator ，实现 ByteBufAllocator 接口，倾向创建 Heap ByteBuf 的分配器。也就是说，#buffer(...) 和 #ioBuffer(...) 和 #compositeBuffer(...) 方法，创建的都是 Heap ByteBuf 对象。代码如下：

/**
 * 真正的分配器对象
 */
private final ByteBufAllocator allocator;

public PreferHeapByteBufAllocator(ByteBufAllocator allocator) {
    this.allocator = ObjectUtil.checkNotNull(allocator, "allocator");
}

@Override
public ByteBuf buffer() {
    return allocator.heapBuffer();
}

@Override
public ByteBuf ioBuffer() {
    return allocator.heapBuffer();
}

@Override
public CompositeByteBuf compositeBuffer() {
    return allocator.compositeHeapBuffer();
}

其它方法，就是调用 allocator 的对应的方法。

666. 彩蛋

😈 小水文一篇。铺垫铺垫，你懂的。