Java NIO之Buffer详细理解

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Buffer简介

Buffer：是一个指定特定数据类型的容器，主要用于和Channel进行数据交互。在多线程操作下 Buffer 是不安全的。

在Java NIO中使用的核心缓冲区如下（覆盖了通过I/O发送的基本数据类型：byte, char、short, int, long, float, double, long）：

ByteBuffer

CharBuffer

ShortBuffer

IntBuffer

FloatBuffer

DoubleBuffer

LongBuffer

Buffer的基本属性

capacity(容量) ：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。

limit(界限)：缓冲区中第一个不能读或写的元素位置

position(位置)：下一个读或写的元素的索引。位置会随着get()和put()函数更新

mark(标记)：标记一个备忘的位置

以上四个属性的关系：

mark <= position <= limit <= capacity

Buffer使用

接下来以最常用的ByteBuffer为例进行介绍

1.创建Buffer对象

  public static ByteBuffer allocate(int capacity)  //静态方法，通过内存分配创建Buffer对象

  public static ByteBuffer wrap(byte[] array)   //静态方法，将[]byte包装成ByteBuffer对象

  public static ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset, int length) //基本同上，但指定了初始位置和长度

  public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) //通过分配直接缓冲区创建Buffer对象

非直接缓冲区：通过allocate()分配缓冲区，将缓冲区建立在JVM的内存中

直接缓冲区：通过allocateDirect()分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中，可以提高效率。

内核地址空间和用户地址空间之间形成了一个物理内存映射文件，减少了内核到用户空间的copy过程

public abstract boolean isDirect() //可以通过该方法判断是否是直接缓冲区

2.读写常用的方法

在Buffer中有两种模式，一种是写模式，一种是读模式。

put()相关函数：向ByteBuffer中添加元素（byte，[]byte,ByteBuffer等）

flip()函数：将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

get()：从Buffer中读取元素

hasRemaining():判断Buffer中是否还有元素可读

clear()：清空元素

compact()：压缩元素(扩展空间)

利用Buffer读写数据，通常遵循四个步骤：

调用put()把数据写入buffer；

调用flip()从写模式切换成读模式；

调用get()从Buffer中读取数据；

调用buffer.clear()或者buffer.compact() 清除元素

Buffer源码

构造器

//构造函数，根据指定的参数来初始化Buffer特定的属性

//此构造函数是包私有的

    Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {       // package-private

        if (cap < 0)

            throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);

        this.capacity = cap;

        limit(lim);

        position(pos);

        if (mark >= 0) {

            if (mark > pos)

                throw new IllegalArgumentException("mark > position: ("

                                                   + mark + " > " + pos + ")");

            this.mark = mark;

        }

   }

构造器中使用了两个方法limit()和position()

函数的功能：设置Buffer的limit，如果position大于newLimit，则将position设置为新的limit。

如果mark被定义且大于新的limit，则就会被抛弃。

    public final Buffer limit(int newLimit) {

        //有效性检查，即limit必须满足这样的关系：0<=limit<=position.

        if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))

            throw new IllegalArgumentException();

        limit = newLimit;

        //如果position大于newLimit，则将position设置为新的limit。

        if (position > limit) position = limit;

        //如果mark被定义且大于新的limit，则会被抛弃(即设置为-1)

        if (mark > limit) mark = -1;

        return this;

    }

函数功能：设置Buffer的position.如果mark被定义且大于new position，则就会被抛弃。

    public final Buffer position(int newPosition) {

        //有效性检查，即0<=newPosition<=limit.

        if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))

            throw new IllegalArgumentException();

        position = newPosition;

        //如果mark被定义且大于new position，则就会被抛弃。

        if (mark > position) mark = -1;

        return this;

    }

allocate（）方法

由于Buffer类是一个抽象类，是不可以实例化对象的，因此在Buffer中是不存在allocate(int cap)方法的，allocate(int cap)方法在其子类中均有实现。这里就以IntBuffer为例，看下Buffer子类IntBuffer的allocate(int cap)方法。

    public static IntBuffer allocate(int capacity) {
    
        if (capacity < 0)

            throw new IllegalArgumentException();

        return new HeapIntBuffer(capacity, capacity);

    }

函数功能：分配一个新的用来装载int类型数据的Buffer对象实例。这个new buffer的position为0，limit为capacity,mark为未定义的(即为-1)。buffer中的元素全部初始化为零。

在allocate方法中直接是实例化了一个IntBuffer子类的对象。

既然这里涉及要HeapIntBuffer类，我们就看下这个类

public abstract class IntBuffer extends Buffer implements Comparable<IntBuffer>

class HeapIntBuffer extends IntBuffer

从继承关系我们知道：HeapIntBuffer这个类是IntBuffer的子类

这个类的构造函数为

    HeapIntBuffer(int cap, int lim) {            // package-private

        super(-1, 0, lim, cap, new int[cap], 0);

    }

在这个构造函数中直接调用了父类IntBuffer中对应的构造函数。看下IntBuffer类中的这个构造函数。

在看构造函数之前，这里要说下IntBuffer类中的几个属性。

final int[] hb; // Non-null only for heap buffers

final int offset;

boolean isReadOnly; // Valid only for heap buffers

IntBuffer类中主要包括一个int类型的数组，即从这里我们知道，Buffer类的底层数据结构是借助于数组来完成的。

继续看IntBuffer类的构造方法

    // Creates a new buffer with the given mark, position, limit, capacity,
    // backing array, and array offset
    IntBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap,   // package-private
                 int[] hb, int offset)
    {
        super(mark, pos, lim, cap);//调用父类Buffer中对应有参的构造函数
        this.hb = hb;
        this.offset = offset;
    }

以上，就是当我们使用如下代码得到IntBuffer实例的整个过程。

IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(cap);

2、put(int i)方法介绍

下面来看IntBuffer类中的put方法

public abstract IntBuffer put(int i);

public abstract int get(int index);

在IntBuffer类中put、get方法都是抽象的。

有了上面allocate方法的过程分析，我们知道IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(cap)

中的buffer实际上是父类的引用指向的是子类的对象。当我们使用buffer.put(value)/buffer.get().

实际上是调用子类HeapIntBuffer类中的put/get方法，这就是多态。在Java中相当重要的一个特征。

HeapIntBuffer类中put方法的实现如下：

    public IntBuffer put(int x) {
        hb[ix(nextPutIndex())] = x;
        return this;
    }

put方法实现的思想就是：将值存储在position位置即可。

这里涉及到两个新的函数，分别为：

1、nextPutIndex(),函数功能：简单来说就是返回下一个要写入元素的索引位置（即当前position值），并将position进行加一操作。

2、ix(int i)：偏移offset个位置

这两个函数的实现如下：

  //函数功能：首先检查当前的position是否小于limit，如果小于则存储，否则抛异常。
    final int nextPutIndex() {                          // package-private
        if (position >= limit)
            throw new BufferOverflowException();
        return position++;
    }

    //函数功能：偏移offset个位置
    protected int ix(int i) { 
        return i + offset;
    }

3、get()方法介绍

看完了put方法，接下来来看下get方法

函数的功能：取得Buffer中position位置所指向的元素。

  //函数功能：获取buffer中position所指向的元素。
    public int get() {
        return hb[ix(nextGetIndex())];
    }

    //函数功能：获取buffer中索引为i位置的元素
    public int get(int i) {
        return hb[ix(checkIndex(i))];
    }

在get()方法中也涉及到两个另外的函数：

1、nextGetIndex()，函数功能：返回下一个读取的元素的索引位置（即position值）

2、ix(int i)

    final int nextGetIndex() {                          // package-private
        if (position >= limit)
            throw new BufferUnderflowException();
        return position++;
    }

    //将position向右移动nb个位置，这个函数目前还没有看见在哪里得到的应用
    final int nextGetIndex(int nb) {                    // package-private
        if (limit - position < nb)
            throw new BufferUnderflowException();
        int p = position;
        position += nb;
        return p;
    }

以上就是get方法的内部实现，也相当简单哈。

4、flip()方法介绍

其实，在刚开始看别人博客的时候，是最不能理解这个函数的功能的，疑问在于：为什么要在读Buffer中的内容时，要先调用这个方法呢。

其实在自己把Buffer的读模式和写模式弄清楚之后，这个函数的功能我也就明白了。


     //函数功能：将Buffer从写模式转化为读模式。
     //具体为：将limit设置为此时position并且将position设置为零。如果mark被定义了则被抛弃(即设置为-1)
     //这个方法的应用场景为：在管道读或调用put方法之后，调用此方法来为管道写或者是get操作做准备。
    public final Buffer flip() {
        limit = position;
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }

以上就是flip()方法的介绍，是不是也比较简单哈。

5、hasRemaining()介绍

函数功能：判断Buffer中是否还有可读取的元素。

    public final boolean hasRemaining() {
        return position < limit;
    }

此方法的内部实现直接是判断position是否小于limit.

所以，逻辑也是相当简单的。

6、clear() compact()方法的介绍

clear()函数功能:清空Buffer中所有的元素。

其内部实现直接是将Buffer里面几个属性进行了重置。

  public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }

最后看下compact方法

compact()方法的功能：将已读元素进行清除，未读元素拷贝保留并拷贝到Buffer最开始位置。这个也是和clear()方法不同的地方。

具体实现如下：

    public IntBuffer compact() {
        //先进行拷贝，即将剩余的没有访问的元素拷贝到Buffer从零开始的位置
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());//remaining()函数返回的是剩余元素个数
        //设置position为下一个写入元素的位置
        position(remaining());
        //设置limit为Buffer容量
        limit(capacity());
        discardMark();//废弃mark，即将mark设置为-1
        return this;
    }



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

以上内容主要参考

《Java NIO》

https://blog.youkuaiyun.com/u010412719/article/details/52775637

https://blog.youkuaiyun.com/u010853261/article/details/53464397

https://www.cnblogs.com/KKSJS/p/9909587.html

https://www.cnblogs.com/snailclimb/p/Buffer.html

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