【Netty官方文档翻译】引用计数对象（reference counted objects）

知乎有关于引用计数和垃圾回收GC两种方式的详细讲解

https://www.zhihu.com/question/21539353

原文出处：http://netty.io/wiki/reference-counted-objects.html

 

自从Netty 4开始，对象的生命周期由它们的引用计数（reference counts）管理，而不是由垃圾收集器（garbage collector）管理了。ByteBuf是最值得注意的，它使用了引用计数来改进分配内存和释放内存的性能。

基本的引用计数

每个对象的初始计数为1：

ByteBuf buf = ctx.alloc().directBuffer();
assert buf.refCnt() == 1;

当你释放（release）引用计数对象时，它的引用计数减1.如果引用计数为0，这个引用计数对象会被释放（deallocate），并返回对象池。

assert buf.refCnt() == 1;
// release() returns true only if the reference count becomes 0.
boolean destroyed = buf.release();
assert destroyed;
assert buf.refCnt() == 0;

 悬垂（dangling）引用

尝试访问引用计数为0的引用计数对象会抛出IllegalReferenceCountException异常：

assert buf.refCnt() == 0;
try {
  buf.writeLong(0xdeadbeef);
  throw new Error("should not reach here");
} catch (IllegalReferenceCountExeception e) {
  // Expected
}

增加引用计数

可通过retain()操作来增加引用计数，前提是此引用计数对象未被销毁：

（译者注：跟未使用ARC的objective-c好像）

ByteBuf buf = ctx.alloc().directBuffer();
assert buf.refCnt() == 1;

buf.retain();
assert buf.refCnt() == 2;

boolean destroyed = buf.release();
assert !destroyed;
assert buf.refCnt() == 1;

谁来销毁（destroy）

通常的经验法则是谁最后访问（access）了引用计数对象，谁就负责销毁（destruction）它。具体来说是以下两点：

• 如果组件（component）A把一个引用计数对象传给另一个组件B，那么组件A通常不需要销毁对象，而是把决定权交给组件B。
• 如果一个组件不再访问一个引用计数对象了，那么这个组件负责销毁它。

下面是一个简单的例子：

public ByteBuf a(ByteBuf input) {
    input.writeByte(42);
    return input;
}

public ByteBuf b(ByteBuf input) {
    try {
        output = input.alloc().directBuffer(input.readableBytes() + 1);
        output.writeBytes(input);
        output.writeByte(42);
        return output;
    } finally {
        input.release();
    }
}

public void c(ByteBuf input) {
    System.out.println(input);
    input.release();
}

public void main() {
    ...
    ByteBuf buf = ...;
    // This will print buf to System.out and destroy it.
    c(b(a(buf)));
    assert buf.refCnt() == 0;
}

行为（Action）                          谁来释放（Who should release）?   谁释放了（Who released）?

1. main()创建了buf                    buf→main()

2. buf由main()传给了a()            buf→a()

3. a()仅仅返回了buf                   buf→main()

4. buf由main()传给了b()            buf→b()

5. b()返回了buf的拷贝               buf→b(), copy→main()                       b()释放了buf

6. 拷贝由main()传给了c()          copy→c()

7. c()消耗（swallow）了拷贝     copy→c()                                           c()释放了拷贝 

子缓冲（Derived buffers）

ByteBuf.duplicate(), ByteBuf.slice()和ByteBuf.order(ByteOrder)创建了子缓冲，这些缓存共享了它们的父缓冲（parent buffer）的一部分内存。子缓冲没有自己的引用计数，而是共享父缓冲的引用计数。

ByteBuf parent = ctx.alloc().directBuffer();
ByteBuf derived = parent.duplicate();

// Creating a derived buffer does not increase the reference count.
assert parent.refCnt() == 1;
assert derived.refCnt() == 1;

注意父缓冲和它的子缓冲共享同样的引用计数，当创建子缓冲时并不会增加对象的引用计数。因此，如果你要传递（pass）一个子缓冲给你的程序中的其他组件的话，你得先调用retain()。

ByteBuf parent = ctx.alloc().directBuffer(512);
parent.writeBytes(...);

try {
    while (parent.isReadable(16)) {
        ByteBuf derived = parent.readSlice(16);
        derived.retain();
        process(derived);
    }
} finally {
    parent.release();
}
...

public void process(ByteBuf buf) {
    ...
    buf.release();
}

ByteBufHolder接口

有时候，一个ByteBuf被一个buffer holder持有，诸如DatagramPacket, HttpContent,和WebSocketframe。它们都扩展了一个公共接口，ByteBufHolder。

一个buffer holder共享它所持有的引用计数，如同子缓冲一样。

ChannelHandler中的引用计数

Inbound消息（messages）

当一个事件循环（event loop）读入了数据，用读入的数据创建了ByteBuf，并用这个ByteBuf触发了一个channelRead()事件时，那么管道（pipeline）中相应的ChannelHandler就负责释放这个buffer。因此，处理接收到的数据的handler应该在它的channelRead()中调用buffer的release()。

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
    try {
        ...
    } finally {
        buf.release();
    }
}

如同在本文档中的“谁来销毁”一节所解释的那样，如果你的handler传递了缓存（或任何引用计数对象）到下一个handler，你就不需要释放它：

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
    ...
    ctx.fireChannelRead(buf);
}

注意ByteBuf不是Netty中唯一一种引用计数对象。由解码器（decoder）生成的消息（messages）对象，这些对象很可能也是引用计数对象：

// Assuming your handler is placed next to `HttpRequestDecoder`
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    if (msg instanceof HttpRequest) {
        HttpRequest req = (HttpRequest) msg;
        ...
    }
    if (msg instanceof HttpContent) {
        HttpContent content = (HttpContent) msg;
        try {
            ...
        } finally {
            content.release();
        }
    }
}

如果你抱有疑问，或者你想简化这些释放消息的工作，你可以使用ReferenceCountUtil.release()：

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    try {
        ...
    } finally {
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }
}

还有一种选择，你可以考虑继承SimpleChannelHandler，它在所有接收消息的地方都调用了ReferenceCountUtil.release(msg)。

Outbound消息（messages）

与inbound消息不同，你的程序所创建的消息对象，由Netty负责释放，释放的时机是在这些消息被发送到网络之后。但是，在发送消息的过程中，如果有handler截获（intercept）了你的发送请求，并创建了一些中间对象，则这些handler要确保正确释放这些中间对象。比如编码器（encoder）。

// Simple-pass through
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object message, ChannelPromise promise) {
    System.err.println("Writing: " + message);
    ctx.write(message, promise);
}

// Transformation
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object message, ChannelPromise promise) {
    if (message instanceof HttpContent) {
        // Transform HttpContent to ByteBuf.
        HttpContent content = (HttpContent) message;
        try {
            ByteBuf transformed = ctx.alloc().buffer();
            ....
            ctx.write(transformed, promise);
        } finally {
            content.release();
        }
    } else {
        // Pass non-HttpContent through.
        ctx.write(message, promise);
    }
}

解决（troubleshooting）buffer泄露

引用计数的缺点是容易发生泄露。因为JVM并不知道Netty实现的引用计数的存在，一旦某些对象不可达（unreachable）就会被自动GC掉，即使这些对象的引用计数不为0。被GC掉的对象就不可用了，因此这些对象也就不能回到对象池中，或者产生内存泄露。

幸运的是，尽管要找到泄露很困难，但Netty提供了一种方案来帮助发现泄露，此方案默认在你的程序中的已分配的缓冲中取样（sample）大约1%的缓存，来检查是否存在泄露。如果存在泄露，你会发现如下日志：

LEAK: ByteBuf.release() was not called before it's garbage-collected. Enable advanced leak reporting to find out where the leak occurred. To enable advanced leak reporting, specify the JVM option '-Dio.netty.leakDetectionLevel=advanced' or call ResourceLeakDetector.setLevel()

上述日志中提到的JVM选项（option）重新启动你的程序，你可以看到在你的程序中最近访问已泄露的内存的位置（location）。下列输出展示了来自单元测试的一个泄露问题(XmlFrameDecoderTest.testDecodeWithXml())：

Running io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoderTest
15:03:36.886 [main] ERROR io.netty.util.ResourceLeakDetector - LEAK: ByteBuf.release() was not called before it's garbage-collected.
Recent access records: 1
#1:
    io.netty.buffer.AdvancedLeakAwareByteBuf.toString(AdvancedLeakAwareByteBuf.java:697)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoderTest.testDecodeWithXml(XmlFrameDecoderTest.java:157)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoderTest.testDecodeWithTwoMessages(XmlFrameDecoderTest.java:133)
    ...

Created at:
    io.netty.buffer.UnpooledByteBufAllocator.newDirectBuffer(UnpooledByteBufAllocator.java:55)
    io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator.directBuffer(AbstractByteBufAllocator.java:155)
    io.netty.buffer.UnpooledUnsafeDirectByteBuf.copy(UnpooledUnsafeDirectByteBuf.java:465)
    io.netty.buffer.WrappedByteBuf.copy(WrappedByteBuf.java:697)
    io.netty.buffer.AdvancedLeakAwareByteBuf.copy(AdvancedLeakAwareByteBuf.java:656)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoder.extractFrame(XmlFrameDecoder.java:198)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoder.decode(XmlFrameDecoder.java:174)
    io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder.callDecode(ByteToMessageDecoder.java:227)
    io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder.channelRead(ByteToMessageDecoder.java:140)
    io.netty.channel.ChannelHandlerInvokerUtil.invokeChannelReadNow(ChannelHandlerInvokerUtil.java:74)
    io.netty.channel.embedded.EmbeddedEventLoop.invokeChannelRead(EmbeddedEventLoop.java:142)
    io.netty.channel.DefaultChannelHandlerContext.fireChannelRead(DefaultChannelHandlerContext.java:317)
    io.netty.channel.DefaultChannelPipeline.fireChannelRead(DefaultChannelPipeline.java:846)
    io.netty.channel.embedded.EmbeddedChannel.writeInbound(EmbeddedChannel.java:176)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoderTest.testDecodeWithXml(XmlFrameDecoderTest.java:147)
    io.netty.handler.codec.xml.XmlFrameDecoderTest.testDecodeWithTwoMessages(XmlFrameDecoderTest.java:133)
    ...

如果你使用Netty 5或以上的版本，还提供了一个额外的信息，帮助我们找到最后操作了（handle）泄露缓冲的handler。下面的例子展示了名为EchoServerHandler#0的handler操作了已泄露的缓冲，并且缓冲已被GC了，这意味着EchoServerHandler#0忘记释放了这个buffer：

12:05:24.374 [nioEventLoop-1-1] ERROR io.netty.util.ResourceLeakDetector - LEAK: ByteBuf.release() was not called before it's garbage-collected.
Recent access records: 2
#2:
    Hint: 'EchoServerHandler#0' will handle the message from this point.
    io.netty.channel.DefaultChannelHandlerContext.fireChannelRead(DefaultChannelHandlerContext.java:329)
    io.netty.channel.DefaultChannelPipeline.fireChannelRead(DefaultChannelPipeline.java:846)
    io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel$NioByteUnsafe.read(AbstractNioByteChannel.java:133)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKey(NioEventLoop.java:485)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKeysOptimized(NioEventLoop.java:452)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.run(NioEventLoop.java:346)
    io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:794)
    java.lang.Thread.run(Thread.java:744)
#1:
    io.netty.buffer.AdvancedLeakAwareByteBuf.writeBytes(AdvancedLeakAwareByteBuf.java:589)
    io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel.doReadBytes(NioSocketChannel.java:208)
    io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel$NioByteUnsafe.read(AbstractNioByteChannel.java:125)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKey(NioEventLoop.java:485)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKeysOptimized(NioEventLoop.java:452)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.run(NioEventLoop.java:346)
    io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:794)
    java.lang.Thread.run(Thread.java:744)
Created at:
    io.netty.buffer.UnpooledByteBufAllocator.newDirectBuffer(UnpooledByteBufAllocator.java:55)
    io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator.directBuffer(AbstractByteBufAllocator.java:155)
    io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator.directBuffer(AbstractByteBufAllocator.java:146)
    io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator.ioBuffer(AbstractByteBufAllocator.java:107)
    io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel$NioByteUnsafe.read(AbstractNioByteChannel.java:123)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKey(NioEventLoop.java:485)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.processSelectedKeysOptimized(NioEventLoop.java:452)
    io.netty.channel.nio.NioEventLoop.run(NioEventLoop.java:346)
    io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:794)
    java.lang.Thread.run(Thread.java:744)

泄露检测级别

当前有4个泄露检测级别：

• 禁用（DISABLED）   - 完全禁止泄露检测。不推荐。
• 简单（SIMPLE）       - 告诉我们取样的1%的缓冲是否发生了泄露。默认。
• 高级（ADVANCED） - 告诉我们取样的1%的缓冲发生泄露的地方
• 偏执（PARANOID）  - 跟高级选项类似，但此选项检测所有缓冲，而不仅仅是取样的那1%。此选项在自动测试阶段很有用。如果构建（build）输出包含了LEAK，可认为构建失败。

你可以使用JVM的-Dio.netty.leakDetectionLevel选项来指定泄漏检测级别。

java -Dio.netty.leakDetectionLevel=advanced ...

避免泄露的最佳实践

• 在简单级别和偏执级别上运行你的单元测试和集成测试（integration tests）。
• 在rolling out到整个集群之前，使用简单级别，以一个合理的、足够长的时间canary（金丝雀？不明所以。。）你的程序，来发现是否存在泄露。
• 如果存在泄露，再用高级级别来canary以获得一些关于泄露的提示。
• 不要部署存在泄露的程序到整个集群。

在单元测试中修复泄露问题

在单元测试中很容易忘记释放缓冲。这会产生一个泄露的警告，但并不是说就肯定存在泄露。你可以使用ReferenceCountUtil.releaseLater()工具方法，放弃用try-finally来包裹你的单元测试代码以释放所有的缓冲：

import static io.netty.util.ReferenceCountUtil.*;

@Test
public void testSomething() throws Exception {
    // ReferenceCountUtil.releaseLater() will keep the reference of buf,
    // and then release it when the test thread is terminated.
    ByteBuf buf = releaseLater(Unpooled.directBuffer(512));
    ...
}