• Netty(8)netty组件:ByteBuf


    概述

    ByteBuf是对字节数据的封装

    ByteBuf的容量是可以自动扩容的

    创建

    ByteBuf 如果不指定容量的话,默认是256

    //指定初始容量为10
    ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
    
    
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    使用

    ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    System.out.println(buf);
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 320; i++) {
        sb.append("a");
    }
    buf.writeBytes(sb.toString().getBytes());
    System.out.println(buf);
    
    
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    运行结果

    PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 0, cap: 256)
    PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 320, cap: 512)
    
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    调试的工具类

    import io.netty.buffer.ByteBuf;
    import io.netty.buffer.ByteBufAllocator;
    
    import static io.netty.buffer.ByteBufUtil.appendPrettyHexDump;
    import static io.netty.util.internal.StringUtil.NEWLINE;
    
    public static void log(ByteBuf buffer) {
        int length = buffer.readableBytes();
        int rows = length / 16 + (length % 15 == 0 ? 0 : 1) + 4;
        StringBuilder buf = new StringBuilder(rows * 80 * 2)
                .append("read index:").append(buffer.readerIndex())
                .append(" write index:").append(buffer.writerIndex())
                .append(" capacity:").append(buffer.capacity())
                .append(NEWLINE);
        appendPrettyHexDump(buf, buffer);
        System.out.println(buf.toString());
    }
    
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    使用上面的方法打印出来的数据如下(for循环的次数改为了32):
    在这里插入图片描述

    ByteBuf支持的内存分配

    直接内存

    分配效率较低,但是读写效果高

    netty默认情况下,使用的是直接内存作为ByteBuf的内存(也可以选择)

    下面的代码来创建池化基于直接内存的 ByteBuf

    ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);
    //不指定的话,默认使用的是直接内存
    
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    • 直接内存创建和销毁的代价昂贵,但读写性能高(少一次内存复制),适合配合池化功能一起用
    • 直接内存对 GC 压力小,因为这部分内存不受 JVM 垃圾回收的管理,但也要注意及时主动释放

    堆内存

    分配效率较高,但是读写效率比较低

    下面的代码来创建池化基于堆的 ByteBuf

    ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(10);
    
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    支持池化的管理

    池化管理:对于创建比较慢的一些资源,可以使用池化管理的思想进行优化

    池化 vs 非池化

    池化的 最大意义在于可以重用 ByteBuf,优点有

    • 没有池化,则每次都得创建新的 ByteBuf 实例,这个操作对直接内存代价昂贵,就算是堆内存,也会增加 GC 压力
    • 有了池化,则可以重用池中 ByteBuf 实例,并且采用了与 jemalloc 类似的内存分配算法提升分配效率
    • 高并发时,池化功能更节约内存,减少内存溢出的可能

    开启池化功能

    池化功能是否开启,可以通过下面的系统环境变量来设置

    -Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}
    
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    • 4.1 以后,非 Android 平台默认启用池化实现Android 平台启用非池化实现
    • 4.1 之前,池化功能还不成熟,默认是非池化实现

    查看当前的实现是什么
    在这里插入图片描述

    在IDEA进行设置

    在这里插入图片描述

    ByteBuf组成

    ByteBuf 由四部分组成

    1. 最大容量:整数的最大值,21
    2. 容量:容量与最大容量之间为可扩容区域
    3. 读指针:读指针到写指针的位置,称为可读部分
    4. 写指针:写指针到可写位置,称为可写部分
    5. 已经读过的这些数据,称为废弃部分

    在这里插入图片描述
    最开始读写指针都在 0 位置

    写入

    方法列表,省略一些不重要的方法

    方法签名含义备注
    writeBoolean(boolean value) 写入 boolean 值用一字节 01|00 代表 true|false
    writeByte(int value)写入 byte 值
    writeShort(int value)写入 short 值
    writeInt(int value)写入 int 值Big Endian(大端写入),即 0x250,写入后 00 00 02 50
    writeIntLE(int value)写入 int 值Little Endian(小端写入),即 0x250,写入后 50 02 00 00
    writeLong(long value)写入 long 值
    writeChar(int value)写入 char 值
    writeFloat(float value)写入 float 值
    writeDouble(double value)写入 double 值
    writeBytes(ByteBuf src)写入 netty 的 ByteBuf
    writeBytes(byte[] src)写入 byte[]
    writeBytes(ByteBuffer src) 写入 nio 的 ByteBuffer
    int writeCharSequence(CharSequence sequence, Charset charset) 写入字符串

    注意

    • 这些方法的未指明返回值的,其返回值都是 ByteBuf,意味着可以链式调用
    • 网络传输,默认习惯是 Big Endian

    大端:一个整数写入时,是先写高位字节还是低位字节,大端就是先写高位的
    小端:先写低位的,再写高位的

    还有一类方法是 set 开头的一系列方法,也可以写入数据,但不会改变写指针位置

    writeBytes

    先写入 4 个字节

    
    buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
    log(buffer);
    
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    结果

    read index:0 write index:4 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 01 02 03 04                                     |....            |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    writeInt

    没有带LE,是大端写入,从高位写

    在上面的基础上,再写四个字节

    
    buffer.writeInt(5);
    log(buffer);
    
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    结果是

    read index:0 write index:8 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05                         |........        |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    扩容

    如果在上面的基础上,再进行希尔一个int整数时,便会触发扩容

    扩容规则

    如何写入后数据大小未超过 512,则选择下一个 16 的整数倍,例如写入后大小为 12 ,则扩容后 capacity 是 16

    如果写入后数据大小超过 512,则选择下一个 2^n,例如写入后大小为 513,则扩容后 capacity 是 2^10=1024
    (2^9=512 已经不够了)

    扩容不能超过 max capacity 会报错

    再次写入一个整数

    buffer.writeInt(6);
    log(buffer);
    
    
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    结果是

    read index:0 write index:12 capacity:16
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 00 00 00 06             |............    |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    读取

    在写入这个章节里面,我们进行了三次写入,每次写入一个整数(四字节)

    现在,在之前的基础上,进行读,如下:读四次,每次读一个字节

    System.out.println(buffer.readByte());
    System.out.println(buffer.readByte());
    System.out.println(buffer.readByte());
    System.out.println(buffer.readByte());
    log(buffer);
    
    
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    运行结果

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    read index:4 write index:12 capacity:16
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
    
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    现在,读过的内容,就属于废弃部分了,再读只能读那些尚未读取的部分

    重复读取

    如果需要重复读取 int 整数 5,可以在 read 前先做个标记 mark

    buffer.markReaderIndex();
    System.out.println(buffer.readInt());
    log(buffer);
    
    
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    运行结果:

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    read index:8 write index:12 capacity:16
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 00 00 00 06                                     |....            |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    现在,进行重复读取

    要重复读取的话,重置到标记位置 reset,

    将其还原到之前的位置,使用reset

    buffer.resetReaderIndex();
    log(buffer);
    
    
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    结果:还原成功

    read index:4 write index:12 capacity:16
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    其他方法

    采用 get 开头的一系列方法(通过索引去获取),这些方法不会改变 read index

    ByteBuf的内存回收

    ByteBuf回收方法

    Netty 中有堆外内存的 ByteBuf 实现,堆外内存最好是手动来释放,而不是等 GC 垃圾回收。

    • UnpooledHeapByteBuf 使用的是 JVM 内存,只需等 GC 回收内存即可
    • UnpooledDirectByteBuf 使用的就是直接内存了,需要特殊的方法来回收内存
    • PooledByteBuf 和它的子类使用了池化机制,需要更复杂的规则来回收内存

    netty提供的统一接口进行回收方法

    Netty 这里**采用了引用计数法**来控制回收内存,每个 ByteBuf 都实现了 ReferenceCounted 接口

    • 每个 ByteBuf 对象的初始计数为 1
    • 调用 release 方法计数减 1,如果计数为 0,ByteBuf 内存被回收
    • 调用 retain 方法计数加 1,表示调用者没用完之前,其它 handler 即使调用了 release 也不会造成回收
    • 计数为 0 时,底层内存会被回收,这时即使 ByteBuf 对象还在,其各个方法均无法正常使用

    release在何处进行

    因为 pipeline 的存在,一般需要将 ByteBuf 传递给下一个 ChannelHandler,如果在 finally 中 release 了,就失去了传递性(当然,如果在这个 ChannelHandler 内这个 ByteBuf 已完成了它的使命,那么便无须再传递)

    基本规则是,谁是最后使用者,谁负责 release,详细分析如下

    谁最后使用ByteBuf,谁就去使用release进行处理

    • 起点,对于 NIO 实现来讲,在 io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read 方法中首次创建 ByteBuf 放入 pipeline(line 163 pipeline.fireChannelRead(byteBuf))
    • 入站 ByteBuf 处理原则
      • 对原始 ByteBuf 不做处理,调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递,这时无须 release
      • 将原始 ByteBuf 转换为其它类型的 Java 对象,这时 ByteBuf 就没用了,必须 release
      • 如果不调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递,那么也必须 release
      • 注意各种异常,如果 ByteBuf 没有成功传递到下一个 ChannelHandler,必须 release
      • 假设消息一直向后传,那么 TailContext 会负责释放未处理消息(原始的 ByteBuf)
    • 出站 ByteBuf 处理原则
      • 出站消息最终都会转为 ByteBuf 输出,一直向前传,由 HeadContext flush 后 release
    • 异常处理原则
      • 有时候不清楚 ByteBuf 被引用了多少次,但又必须彻底释放,可以循环调用 release 直到返回 true

    slice【零拷贝】

    这里的零拷贝是指:减少数据复制

    slice作用:【零拷贝】的体现之一,对原始 ByteBuf 进行切片成多个 ByteBuf,切片后的 ByteBuf 并没有发生内存复制,还是使用原始 ByteBuf 的内存切片后的 ByteBuf 维护独立的 read,write 指针
    在这里插入图片描述

    ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
    buf.writeBytes(new byte[]{'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'});
    log(buf);
    
    // 在切片过程中,没有发生数据复制
    ByteBuf f1 = buf.slice(0, 5);//从a到e
    ByteBuf f2 = buf.slice(5, 5);//从f到j
    log(f1);
    log(f2);
    System.out.println("===========演示是否是同一个内存=============");
    //修改其中的一个数据,查看buf和f1是否都改变了
    f1.setByte(0, 'b');
    log(f1);
    log(buf);
    //通过查看日志可知,二者都发生了变化,所以是操作的同一个内容
    //原始 ByteBuf 也会受影响,因为底层都是同一块内存
    
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    read index:0 write index:10 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a                   |abcdefghij      |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    read index:0 write index:5 capacity:5
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 61 62 63 64 65                                  |abcde           |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    read index:0 write index:5 capacity:5
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 66 67 68 69 6a                                  |fghij           |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    ========================
    read index:0 write index:5 capacity:5
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 62 62 63 64 65                                  |bbcde           |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    read index:0 write index:10 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 62 62 63 64 65 66 67 68 69 6a                   |bbcdefghij      |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
    Process finished with exit code 0
    
    
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    注意点

    注意点1:切片后区间被固定

    注意点1:调用 slice 进行切片,无参 slice 是从原始 ByteBuf 的 read index 到 write index 之间的内容进行切片,切片后的 max capacity 被固定为这个区间的大小,因此不能追加 write

    如果执行,会报 IndexOutOfBoundsException 异常

    ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
    buf.writeBytes(new byte[]{'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'});
    log(buf);
    
    // 在切片过程中,没有发生数据复制
    ByteBuf f1 = buf.slice(0, 5);
    // 如果想再写入一个x数据到f1中:'a','b','c','d','e', 'x'
    ByteBuf f2 = buf.slice(5, 5);
    f1.writeByte('x');
    log(f1);
    log(f2);
    
    
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    read index:0 write index:10 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a                   |abcdefghij      |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: writerIndex(5) + minWritableBytes(1) exceeds maxCapacity(5): UnpooledSlicedByteBuf(ridx: 0, widx: 5, cap: 5/5, unwrapped: PooledUnsafeDirectByteBuf(ridx: 0, widx: 10, cap: 10))
    
    
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    注意点2:release

    注意点2:如果原始的ByteBuf被release(释放内存),由该ByteBuf切片的内容便不能再使用

    ByteBuf buf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
    buf.writeBytes(new byte[]{'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'});
    log(buf);
    
    // 在切片过程中,没有发生数据复制
    ByteBuf f1 = buf.slice(0, 5);
    ByteBuf f2 = buf.slice(5, 5);
    
    System.out.println("释放原有 byteBuf 内存");
    buf.release();
    log(f1);
    
    
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    read index:0 write index:10 capacity:10
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a                   |abcdefghij      |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    释放原有 byteBuf 内存
    Exception in thread "main" io.netty.util.IllegalReferenceCountException: refCnt: 0
    
    
    
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    解决方法:使用retain(retain:+1;release:-1)方法

    ByteBuf buf= ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
    buf.writeBytes(new byte[]{'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'});
    log(buf);
    
    // 在切片过程中,没有发生数据复制
    ByteBuf f1 = buf.slice(0, 5);
    //使buf,release后不影响f1
    f1.retain();
    ByteBuf f2 = buf.slice(5, 5);
    //使buf,release后不影响f2
    f2.retain();
    log(f1);
    log(f2);
    
    System.out.println("释放原有 byteBuf 内存");
    buf.release();
    log(f1);
    //f1和f2使用完了,自己去release
    f1.release();
    f2.release();
    
    
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    duplicate【复制,零拷贝】

    作用:【零拷贝】的体现之一,就好比截取了原始 ByteBuf 所有内容,并且没有 max capacity 的限制也是与原始 ByteBuf 使用同一块底层内存只是读写指针是独立的

    在这里插入图片描述

    copy

    会将底层内存数据进行深拷贝,因此无论读写,都与原始 ByteBuf 无关

    CompositeByteBuf【零拷贝】

    作用:【零拷贝】的体现之一,可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf,避免拷贝

    CompositeByteBuf 是一个组合的 ByteBuf,它内部维护了一个 Component 数组,每个 Component 管理一个 ByteBuf,记录了这个 ByteBuf 相对于整体偏移量等信息,代表着整体中某一段的数据。

    • 优点,对外是一个虚拟视图,组合这些 ByteBuf 不会产生内存复制
    • 缺点,复杂了很多,多次操作会带来性能的损耗(如每次都要去维护写指针的位置)
    ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});
    
    ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});
    
    //这种方法进行了多次数据复制
    /*ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
    buffer.writeBytes(buf1).writeBytes(buf2);
    log(buffer);*/
    
    //把多个小的ByteBuf组成到了一起
    CompositeByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.compositeBuffer();
    /*
    addComponents:
       参数1:自动增长写指针,如果不填true,
           addComponents/addComponent都默认不会去调整写指针的位置;
           所以数据不会
       参数2和参数3:这些是可变参数,需要添加的buf
    */
    buffer.addComponents(true, buf1, buf2);
    log(buffer);
    
    
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    Unpooled

    Unpooled 是一个工具类,类如其名,提供了非池化的 ByteBuf 创建、组合、复制等操作

    这里仅介绍其跟【零拷贝】相关的 wrappedBuffer 方法,可以用来包装 ByteBuf

    ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
    buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});
    ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
    buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});
    
    // 当包装 ByteBuf 个数超过一个时, 底层使用了 CompositeByteBuf
    ByteBuf buf3 = Unpooled.wrappedBuffer(buf1, buf2);
    System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf3));
    
    
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    输出

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             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a                   |..........      |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    也可以用来包装普通字节数组,底层也不会有拷贝操作

    ByteBuf buf4 = Unpooled.wrappedBuffer(new byte[]{1, 2, 3}, new byte[]{4, 5, 6});
    System.out.println(buf4.getClass());
    System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf4));
    
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    输出

    class io.netty.buffer.CompositeByteBuf
             +-------------------------------------------------+
             |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    |00000000| 01 02 03 04 05 06                               |......          |
    +--------+-------------------------------------------------+----------------+
    
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    ByteBuf的优势总结

    池化:可以重用池中 ByteBuf 实例,更节约内存,减少内存溢出的可能

    读写指针分离,不需要像 ByteBuffer 一样切换读写模式

    可以自动扩容

    支持链式调用,使用更流畅

    很多地方体现零拷贝,例如 slice、duplicate、CompositeByteBuf

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/yyuggjggg/article/details/126457061