Unsafe与ByteBuffer那些事

上一篇文章《聊聊Unsafe的一些使用技巧》写作之后,阅读量很快超过了 1500,Kirito 在这里感谢大家的阅读啦,所以我又来更新了。如果你还没有阅读上一篇文章,我建议你先去看下,闲话不多说,开始今天的话题。

无论是日常开发还是竞赛,Unsafe 不常有而 ByteBuffer 常有,只介绍 Unsafe,让我的博文显得很“炫技”,为了证明“Kirito的技术分享”它可是一个正经的公众号,所以这篇文章会说到另一个比较贴地气的主角 ByteBuffer。我会把我这么多年打比赛的经验传授给你,只求你的一个三连。

从 DirectBuffer 的构造器说起

书接上文,我提到过 DirectBuffer 开辟的堆外内存其实就是通过 Unsafe 分配的,但没有详细介绍,今天就给他补上。看一眼 DirectBuffer 的构造函数

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DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
att = null;
}

短短的十几行代码,蕴含了非常大的信息量,先说关键点

  • long base = unsafe.allocateMemory(size); 调用 Unsafe 分配内存,返回内存首地址
  • unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0); 初始化内存为 0。这一行我们放在下节做重点介绍。
  • Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); 设置堆外内存的回收器,不详细介绍了,可以参考我之前的文章《一文探讨堆外内存的监控与回收》。

仅构造器中的这一幕,便让 Unsafe 和 ByteBuffer 产生了千丝万缕的关联,发挥想象力的话,可以把 ByteBuffer 看做是 Unsafe 一系列内存操作 API 的 safe 版本。而安全一定有代价,在编程领域,一般都有一个常识,越是接近底层的事物,控制力越强,性能越好;越接近用户的事物,更易操作,但性能会差强人意。ByteBuffer 封装的 limit/position/capacity 等概念,用熟悉了之后我觉得比 Netty 后封装 的 ByteBuf 还要简便,但即使优秀如它,仍然有被人嫌弃的一面:大量的边界检查。

一个最吸引性能挑战赛选手去使用 Unsafe 操作内存,而不是 ByteBuffer 地方,便是边界检查。如示例代码一:

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public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {
if (((long)length << 0) > Bits.JNI_COPY_FROM_ARRAY_THRESHOLD) {
checkBounds(offset, length, src.length);
int pos = position();
int lim = limit();
assert (pos <= lim);
int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
if (length > rem)
throw new BufferOverflowException();
Bits.copyFromArray(src, arrayBaseOffset,
(long)offset << 0,
ix(pos),
(long)length << 0);
position(pos + length);
} else {
super.put(src, offset, length);
}
return this;
}

你不用关心上述这段代码在 DirectBuffer 中充当着什么作用,我想展示给你的仅仅是它的 checkBounds 和 一堆 if/else,尤其是追求极致性能的场景,极客们看到 if/else 会神经敏感地意识到分支预测的性能下降,第二意识是这坨代码能不能去掉。

如果你不希望有一堆边界检查,完全可以借助 Unsafe 实现一个自定义的 ByteBuffer,就像下面这样。

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public class UnsafeByteBuffer {

private final long address;
private final int capacity;
private int position;
private int limit;

public UnsafeByteBuffer(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.address = Util.unsafe.allocateMemory(capacity);
this.position = 0;
this.limit = capacity;
}

public int remaining() {
return limit - position;
}

public void put(ByteBuffer heapBuffer) {
int remaining = heapBuffer.remaining();
Util.unsafe.copyMemory(heapBuffer.array(), 16, null, address + position, remaining);
position += remaining;
}

public void put(byte b) {
Util.unsafe.putByte(address + position, b);
position++;
}

public void putInt(int i) {
Util.unsafe.putInt(address + position, i);
position += 4;
}

public byte get() {
byte b = Util.unsafe.getByte(address + position);
position++;
return b;
}

public int getInt() {
int i = Util.unsafe.getInt(address + position);
position += 4;
return i;
}

public int position() {
return position;
}

public void position(int position) {
this.position = position;
}

public void limit(int limit) {
this.limit = limit;
}

public void flip() {
limit = position;
position = 0;
}

public void clear() {
position = 0;
limit = capacity;
}

}

在一些比赛中,为了避免选手进入无止境的内卷,Unsafe 通常是禁用的,但是也有一些比赛,允许使用 Unsafe 的一部分能力,让选手们放飞自我,探索可能性。例如 Unsafe#allocateMemory 是不会受到 -XX:MaxDirectMemory-Xms 限制的,在这次第二届云原生编程挑战赛遭到了禁用,但 Unsafe#putUnsafe#getUnsafe#copyMemory 允许被使用。 如果你一定希望使用 Unsafe 操作堆外内存,可以写出这样的代码,它跟示例代码一完成的是同样的操作。

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byte[] src = ...;

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(src.length);
long address = ((DirectBuffer)byteBuffer).address();
Util.unsafe.copyMemory(src, 16, null, address, src.length);

这便是我想介绍的第一个关键点:DirectByteBuffer 可以借助 Unsafe 完成内存级别细粒度的操作,从而绕开边界检查

DirectByteBuffer 的内存初始化

注意到 DirectByteBuffer 构造器中有另一个涉及到 Unsafe 的操作: unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);。这段代码主要是为了给内存初始化 0。说实话,我是没有太懂这里的初始化操作,因为按照我的认知,默认值也是 0。在某些场景或者硬件下,内存操作是非常昂贵的,尤其是大片的内存被开辟时,这段代码可能会成为 DirectByteBuffer 的瓶颈。

如果希望分配内存时,不进行这段初始化逻辑,可以借助于 Unsafe 分配内存,再对 DirectByteBuffer 进行魔改。

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public class AllocateDemo {

private Field addressField;
private Field capacityField;

public AllocateDemo() throws NoSuchFieldException {
Field capacityField = Buffer.class.getDeclaredField("capacity");
capacityField.setAccessible(true);
Field addressField = Buffer.class.getDeclaredField("address");
addressField.setAccessible(true);
}

public ByteBuffer allocateDirect(int cap) throws IllegalAccessException {
long address = Util.unsafe.allocateMemory(cap);

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1);
Util.unsafe.freeMemory(((DirectBuffer) byteBuffer).address());

addressField.setLong(byteBuffer, address);
capacityField.setInt(byteBuffer, cap);

byteBuffer.clear();
return byteBuffer;
}

}

经过这么一顿操作,我们便得到了一份没有初始化的 DirectByteBuffer,不过不用担心,一切都在正常工作,并且 setMemory for free!

聊聊 ByteBuffer 的零拷贝

算作是题外话了,主要是跟 ByteBuffer 相关的一个话题:零拷贝。 ByteBuffer 在作为读缓冲区时被使用时,有一部分小伙伴会选择使用加锁的方式访问内存,但其实这是非常错误的做法,应当使用 ByteBuffer 提供的 duplicate 和 slice 这两个方法。

并发读取缓冲的方案:

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ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
ByteBuffer duplicate = byteBuffer.duplicate();
duplicate.limit(512);
duplicate.position(256);
ByteBuffer slice = duplicate.slice();
// use slice

这样便可以在不改变原始 ByteBuffer 指针的前提下,任意对 slice 后的 ByteBuffer 进行并发读取了。

总结

最近时间有限,白天工作,晚上还要抽时间打比赛,先分享这么多。更多性能优化小技巧,可以期待一下 1~2 个星期云原生比赛结束,我就开始继续发总结和其他调优方案。

本文阅读求个 1000,不过分吧!

一键三连,这次一定。

作者

徐靖峰

发布于

2021-10-19

更新于

2021-10-19

许可协议


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