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Netty分布式ByteBuf中PooledByteBufAllocator剖析

时间：2023-02-08 08:42:47 | 栏目：JAVA代码 | 点击：次

前言

上一小节简单介绍了ByteBufAllocator以及其子类UnPooledByteBufAllocator的缓冲区分类的逻辑, 这一小节开始带大家剖析更为复杂的PooledByteBufAllocator, 我们知道PooledByteBufAllocator是通过自己取一块连续的内存进行ByteBuf的封装, 所以这里更为复杂, 在这一小节简单讲解有关PooledByteBufAllocator分配逻辑

友情提示:  从这一节开始难度开始加大, 请各位战友做好心理准备

PooledByteBufAllocator分配逻辑

PooledByteBufAllocator同样也重写了AbstractByteBuf的newDirectBuffer和newHeapBuffer两个抽象方法, 我们这一小节以newDirectBuffer为例, 先简述一下其逻辑

逻辑简述

首先看UnPooledByteBufAllocator中newDirectBuffer这个方法

protected ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    PoolThreadCache cache = threadCache.get();
    PoolArena<ByteBuffer> directArena = cache.directArena;
    ByteBuf buf;
    if (directArena != null) { 
        buf = directArena.allocate(cache, initialCapacity, maxCapacity);
    } else {
        if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
            buf = UnsafeByteBufUtil.newUnsafeDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
        } else {
            buf = new UnpooledDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
        }
    }
    return toLeakAwareBuffer(buf);
}

首先 PoolThreadCache cache = threadCache.get() 这一步是拿到一个线程局部缓存对象, 线程局部缓存, 顾明思议, 就是同一个线程共享的一个缓存

threadCache是PooledByteBufAllocator类的一个成员变量, 类型是PoolThreadLocalCache(这两个非常容易混淆, 切记):

private final PoolThreadLocalCache threadCache;

再看其类型PoolThreadLocalCache的定义:

final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal<PoolThreadCache> {
    @Override
    protected synchronized PoolThreadCache initialValue() {
        final PoolArena<byte[]> heapArena = leastUsedArena(heapArenas);
        final PoolArena<ByteBuffer> directArena = leastUsedArena(directArenas);
        return new PoolThreadCache(
                heapArena, directArena, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize, 
                DEFAULT_MAX_CACHED_BUFFER_CAPACITY, DEFAULT_CACHE_TRIM_INTERVAL);
    }
    //代码省略
}

这里继承了一个FastThreadLocal类, 这个类相当于jdk的ThreadLocal, 只是性能更快, 有关FastThreadLocal, 我们在后面的章节会详细剖析, 这里我们只要知道, 继承FastThreadLocal类并且重写了initialValue方法, 则通过其get方法就能获得initialValue返回的对象, 并且这个对象是线程共享的

在这里我们看到, 在重写的initialValue方法中, 初始化了heapArena和directArena两个属性之后, 通过new PoolThreadCache()这种方式创建了PoolThreadCache对象

这里注意, PoolThreadLocalCache是一个FastThreadLocal, 而PoolThreadCache才是线程局部缓存, 这两个类名非常非常像, 千万别搞混了(我当初读这段代码时因为搞混所以懵逼了)

其中heapArena和directArena是分别是用来分配堆和堆外内存用的两个对象, 以directArena为例, 我们看到是通过leastUsedArena(directArenas)这种方式获得的, directArenas是一个directArena类型的数组, leastUsedArena(directArenas)这个方法是用来获取数组中一个使用最少的directArena对象

directArenas是PooledByteBufAllocator的成员变量, 是在其构造方法中初始化的:

public PooledByteBufAllocator(boolean preferDirect, int nHeapArena, int nDirectArena, int pageSize, int maxOrder, 
                              int tinyCacheSize, int smallCacheSize, int normalCacheSize) {
    //代码省略
    if (nDirectArena > 0) {
        directArenas = newArenaArray(nDirectArena);
        List<PoolArenaMetric> metrics = new ArrayList<PoolArenaMetric>(directArenas.length);
        for (int i = 0; i < directArenas.length; i ++) {
            PoolArena.DirectArena arena = new PoolArena.DirectArena(
                    this, pageSize, maxOrder, pageShifts, chunkSize);
            directArenas[i] = arena;
            metrics.add(arena);
        }
        directArenaMetrics = Collections.unmodifiableList(metrics);
    } else {
        directArenas = null;
        directArenaMetrics = Collections.emptyList();
    }
}

我们看到这里通过directArenas = newArenaArray(nDirectArena)初始化了directArenas, 其中nDirectArena, 默认是cpu核心数的2倍, 这点我们可以跟踪构造方法的调用链可以分析到

这样保证了每一个线程会有一个独享的arena

我们看newArenaArray(nDirectArena)这个方法:

private static <T> PoolArena<T>[] newArenaArray(int size) {
    return new PoolArena[size];
}

这里只是创建了一个数组, 默认长度为nDirectArena

继续跟PooledByteBufAllocator的构造方法, 创建完了数组, 后面在for循环中为数组赋值:

首先通过new PoolArena.DirectArena创建一个DirectArena实例, 然后再为新创建的directArenas数组赋值

再回到PoolThreadLocalCache的构造方法中:

final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal<PoolThreadCache> {
    @Override
    protected synchronized PoolThreadCache initialValue() {
        final PoolArena<byte[]> heapArena = leastUsedArena(heapArenas);
        final PoolArena<ByteBuffer> directArena = leastUsedArena(directArenas);
        return new PoolThreadCache(
                heapArena, directArena, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize, 
                DEFAULT_MAX_CACHED_BUFFER_CAPACITY, DEFAULT_CACHE_TRIM_INTERVAL);
    }
    //代码省略
}

方法最后, 创建PoolThreadCache的一个对象, 我们跟进构造方法中:

PoolThreadCache(PoolArena<byte[]> heapArena, PoolArena<ByteBuffer> directArena, 
                int tinyCacheSize, int smallCacheSize, int normalCacheSize, 
                int maxCachedBufferCapacity, int freeSweepAllocationThreshold) {
    //代码省略
    //保存成两个成员变量
    this.heapArena = heapArena;
    this.directArena = directArena;
    //代码省略
}

这里省略了大段代码, 只需要关注这里将两个值保存在PoolThreadCache的成员变量中

我们回到newDirectBuffer中

protected ByteBuf newDirectBuffer(int initialCapacity, int maxCapacity) {
    PoolThreadCache cache = threadCache.get();
    PoolArena<ByteBuffer> directArena = cache.directArena;
    ByteBuf buf;
    if (directArena != null) { 
        buf = directArena.allocate(cache, initialCapacity, maxCapacity);
    } else {
        if (PlatformDependent.hasUnsafe()) {
            buf = UnsafeByteBufUtil.newUnsafeDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
        } else {
            buf = new UnpooledDirectByteBuf(this, initialCapacity, maxCapacity);
        }
    }
    return toLeakAwareBuffer(buf);
}

简单分析的线程局部缓存初始化相关逻辑, 我们再往下跟:

PoolArena<ByteBuffer> directArena = cache.directArena;

通过上面的分析, 这步我们应该不陌生, 在PoolThreadCache构造方法中将directArena和heapArena中保存在成员变量中, 这样就可以直接通过cache.directArena这种方式拿到其成员变量的内容

从以上逻辑, 我们可以大概的分析一下流程, 通常会创建和线程数量相等的arena, 并以数组的形式存储在PooledByteBufAllocator的成员变量中, 每一个PoolThreadCache创建的时候, 都会在当前线程拿到一个arena, 并保存在自身的成员变量中

PoolThreadCache除了维护了一个arena之外, 还维护了一个缓存列表, 我们在重复分配ByteBuf的时候, 并不需要每次都通过arena进行分配, 可以直接从缓存列表中拿一个ByteBuf

有关缓存列表, 我们循序渐进的往下看

在PooledByteBufAllocator中维护了三个值:

1.  tinyCacheSize

2.  smallCacheSize

3.  normalCacheSize

tinyCacheSize代表tiny类型的ByteBuf能缓存多少个

smallCacheSize代表small类型的ByteBuf能缓存多少个

normalCacheSize代表normal类型的ByteBuf能缓存多少个

具体tiny类型, small类型, normal是什么意思, 我们会在后面讲解

我们回到PoolThreadLocalCache类中看其构造方法:

final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal<PoolThreadCache> {
    @Override
    protected synchronized PoolThreadCache initialValue() {
        final PoolArena<byte[]> heapArena = leastUsedArena(heapArenas);
        final PoolArena<ByteBuffer> directArena = leastUsedArena(directArenas);
        return new PoolThreadCache(
                heapArena, directArena, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize, 
                DEFAULT_MAX_CACHED_BUFFER_CAPACITY, DEFAULT_CACHE_TRIM_INTERVAL);
    }
    //代码省略
}

我们看到这三个属性是在PoolThreadCache的构造方法中传入的

这三个属性是通过PooledByteBufAllocator的构造方法中初始化的, 跟随构造方法的调用链会走到这个构造方法:

public PooledByteBufAllocator(boolean preferDirect, int nHeapArena, int nDirectArena, int pageSize, int maxOrder) {
    this(preferDirect, nHeapArena, nDirectArena, pageSize, maxOrder, 
            DEFAULT_TINY_CACHE_SIZE, DEFAULT_SMALL_CACHE_SIZE, DEFAULT_NORMAL_CACHE_SIZE);
}

这里仍然调用了一个重载的构造方法, 这里我们关注这几个参数:

DEFAULT_TINY_CACHE_SIZE,

DEFAULT_SMALL_CACHE_SIZE,

DEFAULT_NORMAL_CACHE_SIZE

这里对应着几个静态的成员变量:

private static final int DEFAULT_TINY_CACHE_SIZE;
private static final int DEFAULT_SMALL_CACHE_SIZE;
private static final int DEFAULT_NORMAL_CACHE_SIZE;

我们在static块中看其初始化过程

static{
    //代码省略
    DEFAULT_TINY_CACHE_SIZE = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.allocator.tinyCacheSize", 512);
    DEFAULT_SMALL_CACHE_SIZE = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.allocator.smallCacheSize", 256);
    DEFAULT_NORMAL_CACHE_SIZE = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.allocator.normalCacheSize", 64);
    //代码省略
}

在这里我们看到, 这三个属性分别初始化的大小是512, 256, 64, 这三个属性就对应了PooledByteBufAllocator另外的几个成员变量, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize

也就是说, tiny类型的ByteBuf在每个缓存中默认缓存的数量是512个, small类型的ByteBuf在每个缓存中默认缓存的数量是256个, normal类型的ByteBuf在每个缓存中默认缓存的数量是64个

我们再到PooledByteBufAllocator中重载的构造方法中:

public PooledByteBufAllocator(boolean preferDirect, int nHeapArena, int nDirectArena, int pageSize, int maxOrder, 
                              int tinyCacheSize, int smallCacheSize, int normalCacheSize) {
    super(preferDirect);
    threadCache = new PoolThreadLocalCache();
    this.tinyCacheSize = tinyCacheSize;
    this.smallCacheSize = smallCacheSize;
    this.normalCacheSize = normalCacheSize;
    //代码省略
}

篇幅原因, 这里也省略了大段代码, 大家可以通过构造方法参数找到源码中相对的位置进行阅读

我们关注这段代码:

this.tinyCacheSize = tinyCacheSize;
this.smallCacheSize = smallCacheSize;
this.normalCacheSize = normalCacheSize;

在这里将将参数的

DEFAULT_TINY_CACHE_SIZE,

DEFAULT_SMALL_CACHE_SIZE,

DEFAULT_NORMAL_CACHE_SIZE

的三个值保存到了成员变量

tinyCacheSize,

smallCacheSize,

normalCacheSize

PooledByteBufAllocator中将这三个成员变量初始化之后, 在PoolThreadLocalCache的initialValue方法中就可以使用这三个成员变量的值了

我们再次跟到initialValue方法中

final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal<PoolThreadCache> {
    @Override
    protected synchronized PoolThreadCache initialValue() {
        final PoolArena<byte[]> heapArena = leastUsedArena(heapArenas);
        final PoolArena<ByteBuffer> directArena = leastUsedArena(directArenas);
        return new PoolThreadCache(
                heapArena, directArena, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize, 
                DEFAULT_MAX_CACHED_BUFFER_CAPACITY, DEFAULT_CACHE_TRIM_INTERVAL);
    }
    //代码省略
}

这里就可以在创建PoolThreadCache对象的的构造方法中传入tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize这三个成员变量了

我们再跟到PoolThreadCache的构造方法中:

PoolThreadCache(PoolArena<byte[]> heapArena, PoolArena<ByteBuffer> directArena, 
                int tinyCacheSize, int smallCacheSize, int normalCacheSize, 
                int maxCachedBufferCapacity, int freeSweepAllocationThreshold) {
    //代码省略
    this.freeSweepAllocationThreshold = freeSweepAllocationThreshold;
    this.heapArena = heapArena;
    this.directArena = directArena;
    if (directArena != null) {
        tinySubPageDirectCaches = createSubPageCaches(
                tinyCacheSize, PoolArena.numTinySubpagePools, SizeClass.Tiny);
        smallSubPageDirectCaches = createSubPageCaches(
                smallCacheSize, directArena.numSmallSubpagePools, SizeClass.Small);

        numShiftsNormalDirect = log2(directArena.pageSize);
        normalDirectCaches = createNormalCaches(
                normalCacheSize, maxCachedBufferCapacity, directArena);

        directArena.numThreadCaches.getAndIncrement();
    } else {
        //代码省略
    }
    //代码省略
    ThreadDeathWatcher.watch(thread, freeTask);
}

其中tinySubPageDirectCaches, smallSubPageDirectCaches, 和normalDirectCaches就代表了三种类型的缓存数组, 数组元素是MemoryRegionCache类型的对象, MemoryRegionCache就代表一个ByeBuf的缓存

以tinySubPageDirectCaches为例, 我们看到tiny类型的缓存是通过createSubPageCaches这个方法创建的

这里传入了三个参数tinyCacheSize我们之前分析过是512, PoolArena.numTinySubpagePools这里是32(这里不同类型的缓存大小不一样, small类型是4, normal类型是3) , SizeClass.Tiny代表其类型是tiny类型

我们跟到createSubPageCaches这个方法中

private static <T> MemoryRegionCache<T>[] createSubPageCaches(
        int cacheSize, int numCaches, SizeClass sizeClass) {
    if (cacheSize > 0) {
        //创建数组, 长度为32
        @SuppressWarnings("unchecked")
        MemoryRegionCache<T>[] cache = new MemoryRegionCache[numCaches];
        for (int i = 0; i < cache.length; i++) {
            //每一个节点是ubPageMemoryRegionCache对象
            cache[i] = new SubPageMemoryRegionCache<T>(cacheSize, sizeClass);
        }
        return cache;
    } else {
        return null;
    }
}

这里首先创建了MemoryRegionCache, 长度是我们刚才分析过的32

然后通过for循环, 为数组赋值, 赋值的对象是SubPageMemoryRegionCache类型的, SubPageMemoryRegionCache就是MemoryRegionCache类型的子类, 同样也是一个缓存对象, 构造方法中, cacheSize, 就是其中缓存对象的数量, 如果是tiny类型就是512, sizeClass, 代表其类型, 比如tiny, small或者normal

再简单跟到其构造方法:

SubPageMemoryRegionCache(int size, SizeClass sizeClass) {
    super(size, sizeClass);
}

这里调用了父类的构造方法, 我们继续跟进去:

MemoryRegionCache(int size, SizeClass sizeClass) {
     //size会进行规格化
     this.size = MathUtil.safeFindNextPositivePowerOfTwo(size);
     //队列大小
     queue = PlatformDependent.newFixedMpscQueue(this.size);
     this.sizeClass = sizeClass;
 }

首先会对其进行规格化, 其实就是查找大于等于当前size的2的幂次方的数, 这里如果是512那么规格化之后还是512, 然后初始化一个队列, 队列大小就是传入的大小, 如果是tiny, 这里大小就是512

最后并保存其类型

这里我们不难看出, 其实每个缓存的对象, 里面是通过一个队列保存的, 有关缓存队列和ByteBuf之间的逻辑, 后面的小节会进行剖析

从上面剖析我们不难看出, PoolThreadCache中维护了三种类型的缓存数组, 每个缓存数组中的每个值中, 又通过一个队列进行对象的存储

当然这里只举了Direct类型的对象关系, heap类型其实都是一样的, 这里不再赘述

这一小节逻辑较为复杂, 同学们可以自己在源码中跟踪一遍加深印象

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