写在前面
在Java NIO的体系中，Buffer是其中非常重要的一个组件，是通道Channel和消息数据之间传输的纽带，即：所有写操作必须将数据写到Buffer中，所有读操作必须从Buffer中读。这种做法相比较于传统的BIO基于字节/字符流的操作方式，利用缓冲区的作用，大大提高了IO的效率，但是这只是NIO优于BIO的其中一个方面，另外其他诸如多路复用器Selector，如果有兴趣，大家可以自己学习相关知识，这篇文章将主要从Buffer的角度来阐述一些NIO中的基本概念。
原生Buffer中的概念
在NIO的Buffer体系中最常用的就是ByteBuffer，下面的所有示例都是基于ByteBuffer来进行的。在写这篇博客之前，作者默认大家已经掌握了Buffer的基本用法，如allocate、put、get、flip、clear等方法，以及position、capacity、limit、mark等标记字段的含义等。那么，接下来我们就来深入探究JDK原生的ByteBuffer是如何提升IO性能的吧。我们先来看一下Buffer中的初始化方式，在ByteBuffer中共有两种初始化的方式，分别初始化两种不同类型的Buffer对象，分别为HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
那么这两种不同的Buffer分别是什么呢？请继续看…
堆内存HeapByteBuffer
堆内存，大家非常熟悉，JVM内存中，一般对象（包括数组）都是分配在堆中，JVM的GC可以回收分配在堆中的垃圾对象。
直接内存DirectByteBuffer
在Java中可以通过unsafe类绕过JVM内存直接在系统的物理内存中分配一块内存区域，然后在堆中初始化一个DirectByteBuffer对象引用这块内存，因此对堆中生成的DirectByteBuffer对象的操作就可以映射成对堆外内存的操作。这里还需要进行补充的是：直接内存的垃圾回收只有在触发Full GC的时候才会进行，而这取决于堆内存中DirectByteBuffer的大小。了解这点非常重要，这对理解Netty中的内存池有非常大的帮助。
到这里，我们就介绍了跟Buffer相关的两个重要的基本概念。另外跟DirectByteBuffer相关的还有一个应用广泛的概念——零拷贝（zero-copy）。
零拷贝
直接内存的分配取决于操作系统，受操作系统管理，因此对直接内存的管理是在操作系统内核态进行。通常情况下通过网络进行数据发送的一般流程如图所示，过程如下：
- 从数据源(文件、磁盘等)将数据copy到内核缓冲区（其实是一个临时的直接内存）；
- 内核将准备好的数据copy到用户空间（OS的第一次状态切换）；
- 将数据copy到socket缓冲区（OS的第二次状态切换）
- 将socket缓冲区中的数据copy到网卡缓冲区。
根据上述的过程描述，在进行数据发送的时候，一共发生了4次数据copy、2次状态切换，这都是非常损耗性能的操作。
而直接内存的使用又是怎么提升性能的呢？
- 直接内存存在于内核态，因此不需要copy到用户空间就可以直接传输给socket缓冲区，相当于上述过程中的第2个步骤没有了，减少了1次copy和1次状态切换；
- 相应的步骤3的状态切换也没有，整个数据发送的过程变成下图的形式。
整个数据发送的过程中，数据copy和状态切换的次数降低到3次和0次。因此，零拷贝的应用，大大提高了IO的性能。
抛出一个问题
在零拷贝部分，我们在介绍传统数据传输过程的时候，在步骤1中介绍说将数据copy到一个内核缓冲区，而这个内核缓冲区实际上就是一个临时的DirectByteBuffer，现在的问题是，为什么需要这样的一个临时的DirectByteBuffer？在解释这个问题之前，先来看看原生Buffer中关于这一点在代码中是如何体现的。下面代码展示的是IOUtil类中的write方法。
static int write(FileDescriptor var0, ByteBuffer var1, long var2, NativeDispatcher var4) throws IOException {
if (var1 instanceof DirectBuffer) {
return writeFromNativeBuffer(var0, var1, var2, var4);
} else {
int var5 = var1.position();
int var6 = var1.limit();
assert var5 <= var6;
int var7 = var5 <= var6 var6 - var5 : 0;
ByteBuffer var8 = Util.getTemporaryDirectBuffer(var7);
int var10;
try {
var8.put(var1);
var8.flip();
var1.position(var5);
int var9 = writeFromNativeBuffer(var0, var8, var2, var4);
if (var9 > 0) {
var1.position(var5 + var9);
}
var10 = var9;
} finally {
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(var8);
}
return var10;
}
}
上述代码的大概流程是这样的：
- 往Buffer里面写数据；
- 如果Buffer是DirectBuffer（基于直接内存）的，那么直接写就可以了；
- 如果Buffer不是基于直接内存的，那一定就是基于堆内存的，那么这时候需要构造一个临时的DirectBuffer，然后先将数据写到临时的DirectBuffer中。
是不是很奇特？至于为什么会这样，可以自己思考一下，在下一篇文章中我会给大家详细介绍。