Netty 系列笔记之内存管理

2023-03-18 / netty

Netty 系列笔记之内存管理

一、引文

对于 Java 程序来说，通过合理的内存使用，减少 Full GC 的 STW 时间对于程序来说可以获得更好的性能。本文结合 Netty 来看如何对 Java 内存更合理的使用。

二、内存使用的目标

前提：尽可能的占用内存更少
预期：获得更快的程序执行速度

于 Java 而言：减少 Full GC 的 STW 时间。

三、内存使用技巧

1、减少对象本身的大小

使用基本类型而不是包装类型
包装类型相比较基本类型而言多了 object header ，会占用更多的内存。
使用 static 类变量而不是实例变量
一般如果类是非单例的，会有多个实例，使用类变量会节省更多的内存。

❤ Netty 用于统计等待写的请求的字节数

io.netty.channel.ChannelOutboundBuffer
```
private static final AtomicLongFieldUpdater<ChannelOutboundBuffer> TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER =
          AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(ChannelOutboundBuffer.class, "totalPendingSize");

@SuppressWarnings("UnusedDeclaration")
private volatile long totalPendingSize;
```
Netty 使用 static AtomicLongFieldUpdater 与 volatile long 结合的形式，减少本对象的内存占用。其中 AtomicLongFieldUpdater 采用反射的形式原子的更新本类中 volatile long 类型的变量。

2、对内存分配预估

HashMap 在超过容量的 0.75 时会扩容为 2 倍，对于可以预知容量的 HashMap 指定 size 避免库容浪费空间。

❤ Netty 根据接收到的数据动态调整下一个要分配 Buffer 的大小

io.netty.channel.AdaptiveRecvByteBufAllocator#record(int actualReadBytes)

private void record(int actualReadBytes) {
          // 尝试是否可以减小分配的空间来满足需求：当前实际读取的 size 是否小于或等于打算缩小的 size
          if (actualReadBytes <= SIZE_TABLE[max(0, index - INDEX_DECREMENT)]) {
              // 连续两次减小都可以
              if (decreaseNow) {
                  // 减小
                  index = max(index - INDEX_DECREMENT, minIndex);
                  nextReceiveBufferSize = SIZE_TABLE[index];
                  decreaseNow = false;
              } else {
                  decreaseNow = true;
              }
              // 判断是否实际读取的数量大于等于预估的，如果是则尝试扩容
          } else if (actualReadBytes >= nextReceiveBufferSize) {
              index = min(index + INDEX_INCREMENT, maxIndex);
              nextReceiveBufferSize = SIZE_TABLE[index];
              decreaseNow = false;
          }
      }

3、零拷贝 - ( Zero-copy )

使用逻辑组合，代替复制
io.netty.buffer.CompositeByteBuf#addComponent

使用包装，代替实际复制

byte[] bytes = data.getBytes();
ByteBuf bytebuf = Unpooled.wrappedBuffer(bytes);

使用 JDK 的 Zero-Copy 接口
io.netty.channel.DefaultFileRegion#transferTo

@Override
  public long transferTo(WritableByteChannel target, long position) throws IOException {
      long count = this.count - position;
      if (count < 0 || position < 0) {
          throw new IllegalArgumentException(
                  "position out of range: " + position +
                  " (expected: 0 - " + (this.count - 1) + ')');
      }
      if (count == 0) {
          return 0L;
      }
      if (refCnt() == 0) {
          throw new IllegalReferenceCountException(0);
      }
      // Call open to make sure fc is initialized. This is a no-oop if we called it before.
      open();
      // 包装 FileChannel.transferTo 方法 Zero-Copy
      long written = file.transferTo(this.position + position, count, target);
      if (written > 0) {
          transferred += written;
      } else if (written == 0) {
          // If the amount of written data is 0 we need to check if the requested count is bigger then the
          // actual file itself as it may have been truncated on disk.
          //
          // See https://github.com/netty/netty/issues/8868
          validate(this, position);
      }
      return written;
  }

4、堆外内存

堆内内存，把内存对象分配在 Java 虚拟机的堆以外的内存，又称直接内存。

5、内存池

内存池就是在程序启动时，预先向堆中申请一部分内存，交给一个管理对象。在程序运行中，需要时向管理对象“借”，不需要时“还”给管理对象。

常用开源实现 Apache Commons pool
Netty 轻量级内存池 io.netty.util.Recycler

四、Netty 内存使用源码分析

1、堆外内存

堆内内存 / 堆外内存的切换方式
- 指定参数：io.netty.noPreferDirect = true / false
- 默认不使用堆内内存的，可以这样指定使用堆内内存
```
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, new PooledByteBufAllocator(false))
```
Netty 分配堆外内存的本质是调用 JDK 的ByteBuffer.allocateDirect(initialCapacity); 方法，再往下就是 JDK 的 Unsafe 了。

2、内存池

内存池 / 非内存池的切换方式

指定参数：io.netty.allocator.type = unpooled / pooled

启动类中指定配置：

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT);

或

ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);

那么 Netty 默认使用什么类型呢？
我们查看 io.netty.channel.DefaultChannelConfig 类：

private volatile ByteBufAllocator allocator = ByteBufAllocator.DEFAULT;

继续看 io.netty.buffer.ByteBufAllocator ：

ByteBufAllocator DEFAULT = ByteBufUtil.DEFAULT_ALLOCATOR;

继续看 io.netty.buffer.ByteBufUtil ：

static final ByteBufAllocator DEFAULT_ALLOCATOR;

  static {
      // 系统变量中取值，若为安卓平台则使用 unpooled
      String allocType = SystemPropertyUtil.get(
              "io.netty.allocator.type", PlatformDependent.isAndroid() ? "unpooled" : "pooled");
      allocType = allocType.toLowerCase(Locale.US).trim();

      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 {
	    // 默认为内存池
          alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
          logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: pooled (unknown: {})", allocType);
      }

      DEFAULT_ALLOCATOR = alloc;

      THREAD_LOCAL_BUFFER_SIZE = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.threadLocalDirectBufferSize", 0);
      logger.debug("-Dio.netty.threadLocalDirectBufferSize: {}", THREAD_LOCAL_BUFFER_SIZE);

      MAX_CHAR_BUFFER_SIZE = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.maxThreadLocalCharBufferSize", 16 * 1024);
      logger.debug("-Dio.netty.maxThreadLocalCharBufferSize: {}", MAX_CHAR_BUFFER_SIZE);
  }

❤ 总结：默认情况下，安卓平台使用非池实现，其他平台使用内存池实现，在未指定 netty.allocator.type 参数时，默认内存池实现。

具体的内存池实现 io.netty.buffer.PooledDirectByteBuf

我们看一下 PooledDirectByteBuf#newInstance 方法：

private static final ObjectPool<PooledDirectByteBuf> RECYCLER = ObjectPool.newPool(
          new ObjectCreator<PooledDirectByteBuf>() {
      @Override
      public PooledDirectByteBuf newObject(Handle<PooledDirectByteBuf> handle) {
          return new PooledDirectByteBuf(handle, 0);
      }
  });

  static PooledDirectByteBuf newInstance(int maxCapacity) {
	// 从池中获取
      PooledDirectByteBuf buf = RECYCLER.get();
      buf.reuse(maxCapacity);
      return buf;
  }

这个 RECYCLER 就是 Netty 的 Recycler 实现，

public final T get() {
      if (maxCapacityPerThread == 0) {
          // 表示没有开启池化配置，new Object 返回
          return newObject((Handle<T>) NOOP_HANDLE);
      }
      // ThreadLocal 获取返回
      Stack<T> stack = threadLocal.get();
      DefaultHandle<T> handle = stack.pop();
      if (handle == null) {
          // 池中没有对象时新建
          handle = stack.newHandle();
          handle.value = newObject(handle);
      }
      return (T) handle.value;
  }

上面的 get 方法时借，所谓有借有还再借不难，再看一下归还的方法（Recycler 的内部类 DefaultHandle ）：

@Override
public void recycle(Object object) {
     if (object != value) {
         throw new IllegalArgumentException("object does not belong to handle");
       }

     Stack<?> stack = this.stack;
     if (lastRecycledId != recycleId || stack == null) {
         throw new IllegalStateException("recycled already");
     }
     // 归还回内存池
      stack.push(this);
}

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