最近在写一些中间件底层的模块，经常需要和netty相关的内容打交道，偶尔会回顾到一些关于nio的知识点，今天正好有空，抽空整理了一些关于nio和netty经常要用到的两个类：ByteBuff 和 ByteBuffer。
ByteBuffer
ByteBuffer是属于nio的一款字节缓冲区类，属于原生jdk内置的。常用到的方式为：
1.首先创建基本对象
2.调用filp方法切换为读模式
3.读取之前写入的数据
4.调用clear或者compact进行缓冲区的数据清除工作
代码案例：
public static void main(String[] args) { ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20); byteBuffer.put((byte) 1); byteBuffer.put((byte) 2); byteBuffer.put((byte) 3); byteBuffer.put((byte) 4); //1 byteBuffer.flip(); System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array())); byteBuffer.put((byte) 0); System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array())); //2 byteBuffer.compact(); byteBuffer.put((byte) 5); byteBuffer.put((byte) 6); System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array())); } 复制代码
最终打印出来的结果为：
[1, 2, 3, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] [0, 2, 3, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] [2, 3, 4, 5, 6, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] 复制代码
这里解释一下1和2处的差异点：
1：调用了flip函数之后，程序自身会切换为读模式，position指针会切换到第一位0，因此此时bytebuffer内部的存储数据是正常的1，2，3，4，5。
简单点来理解“读模式”，就是通过变换position指针来实现读取byte数组中未读取过的数据信息。byteBuffer.get()可以按照数组下标的顺序依次获取到byte数组中的每个元素。
2: compact函数的调用其实就是将已经读过的元素给清空，然后从未写入的位置开始继续写入数据。
ByteBuffer底层结构
关于ByteBuffer的底层结构部分，主要需要关心以下几个要点：
position, limit, capactiy 复制代码
这三个关键字属性分别代表的含义可以通过下方程序来查看：
public static void showByteBuffer(){ ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(5); byteBuffer.put((byte) 1); byteBuffer.put((byte) 2); byteBuffer.put((byte) 3); //1 print(byteBuffer); //2 byteBuffer.flip(); print(byteBuffer); //3 byteBuffer.get(); print(byteBuffer); //4 byteBuffer.compact(); print(byteBuffer); //5 byteBuffer.clear(); print(byteBuffer); } public static void print(ByteBuffer byteBuffer){ System.out.println("byteBuffer limit is:"+byteBuffer.limit()+" position is:"+byteBuffer.position()+" capacity is:"+byteBuffer.capacity()+" bytes[] is :"+ Arrays.toString(byteBuffer.array())); } 复制代码
程序执行之后打印的结果为：
byteBuffer limit is:5 position is:3 capacity is:5 bytes[] is :[1, 2, 3, 0, 0] byteBuffer limit is:3 position is:0 capacity is:5 bytes[] is :[1, 2, 3, 0, 0] byteBuffer limit is:3 position is:1 capacity is:5 bytes[] is :[1, 2, 3, 0, 0] byteBuffer limit is:5 position is:2 capacity is:5 bytes[] is :[2, 3, 3, 0, 0] byteBuffer limit is:5 position is:0 capacity is:5 bytes[] is :[2, 3, 3, 0, 0] 复制代码
这里我画几张图来解释一下bytebuffer对于数据存储时候的处理机制：
首先来看到1号程序执行的位置：
代码里面往byteBuffer中put了三个数值，分别是1，2，3。而byteBuffer实际上存储的时候是将数据存储为了byte[]数组的格式，此时position会在每一次put操作之后自增+1操作，因此此时position位于第四个索引下标，打印的时候也就显示为3。而capacity和limit两个属性则是在一开始初始化操作的时候就定义好了的，目前依旧保持为5不变。
接着是来看到2号程序位：
由于byteBuffer切换为了读模式，flip之后position会发生变动，并且limit也会做调整。
接着是再看看3号程序位：
光是调整为了读模式还不足，在触发了get函数之后（可以理解为就是调用了一次读取字节内存一个数组的含义），position会在get之后发生自增，因此此时的byteBuffer结果如下：
4号程序位模块：
执行了一次compact函数之后，byteBuffer中会在进行一轮模式的切换，变为写模式，此时会将已经读取过的数据给清空。其实本质就是通过移动数据内部的数据，然后从新的位置写入：
5号程序位执行分析：
网上有些资料讲解说clear函数和compact函数的左右是相似的，但是其实本质上还是有些差异。clear函数也是会对byteBuffer内部进行一轮清空操作，但是只是将position的位置做挪动，调整到0的下标位置，内部存储的元素数值并不会做调整。而调用compact则会将已读的数据进行覆盖。
ByteBuffer不足之处
在对byteBuffer内部构造有了一定原理了解之后，我们可以分析得出它相关的不足之处：
1.内存分配需要预先得知，如果内存不足会在写入到达阈值的时候出现异常（ java.nio.BufferOverflowException ）。
2.对于各种filp，clear，compact之间的切换，如果不了解底层机制，很容易出现异常，灵活性不足。
针对这些问题，netty框架中提出了一款ByteBuff进行了二次封装，将其进行了优化开发，下边我们来看看这么一段代码：
public static void main(String[] args) { //DirectByteBuffer 使用堆外内存 ByteBuf byteBuf = Unpooled.buffer(10); byteBuf.writeByte(1); byteBuf.writeByte(2); byteBuf.writeByte(3); byteBuf.writeByte(4); byteBuf.writeByte(5); printByteBuf(byteBuf); System.out.println(byteBuf.readByte()); System.out.println(byteBuf.readByte()); printByteBuf(byteBuf); } private static void printByteBuf(ByteBuf byteBuf){ System.out.println("byteBuf is :"+ Arrays.toString(byteBuf.array())+" rix is :"+byteBuf.readerIndex()+" wix is :"+byteBuf.writerIndex()); } 复制代码
相关的程序结果为：
byteBuf is :[1, 2, 3, 4, 5, 0, 0, 0, 0, 0] rix is :0 wix is :5 1 2 byteBuf is :[1, 2, 3, 4, 5, 0, 0, 0, 0, 0] rix is :2 wix is :5 复制代码
在netty封装的ByteBuf里面，包含了两个特殊的指针，分别是writeIndex和readIndex，这两个属性可以帮助我们进行内存的动态扩张，同时也完善了ByteBuffer内部繁琐的模式切换问题。
堆外缓存
在java程序当中，我们比较常见到的就是使用堆来进行内存存储，但是在nio出现之后，ByteBuffer提供了堆外内存分配的机制帮助我们实现对外内存的存储。
先来解释一下几个名词：
堆内存：也就是我们常常说的jvm内部的堆内存模块，这部分的内存是自带有回收机制的，当内存不足的时候会自动进行gc回收，从而释放掉不需要的内存空间。
堆外内存：该模块的内存都没有受到jvm的垃圾回收进行管理，由于不受到gc的影响，堆
外内存有了一个比较常见的落地场景—缓存。JDK的ByteBuffer类提供了一个接口allocateDirect(int capacity)进行堆外内存的申请，底层通过unsafe.allocateMemory(size)实现。
堆外内存的代码案例
public static void test(){ //分配128MB直接内存 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("ok"); } 复制代码
这段代码在启动的时候可以尝试加入以下参数，并且进行参数值的灵活调整。
-Xmx100m -XX:MaxDirectMemorySize=150M 复制代码
java应用在本身运行的时候，如果没有设置MaxDirectMemorySize参数，那么就会将该参数设置为和-Xmx一致。如果堆外内存的分配过多，超过了设置阈值，就会抛出java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory的异常信息。
ps：熟悉kafka的小伙伴应该会有接触过类似的异常问题排查。
堆外缓存的落地
有一个叫做Ehcache的缓存组件就有使用过堆外内存进行实现，感兴趣的小伙伴可以后边研究一下。
