NIO之旅Buffer

最新推荐文章于 2025-04-14 18:54:49 发布

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本文深入探讨Java NIO中的Buffer概念，解析其内部结构、属性及常用API，包括初始化、写入、读取和模式切换等操作，适用于对Java NIO感兴趣的开发者。

在上一篇文章中聊了一下Channel，这篇文章聊一下Java NIO中的另一个重要的组件：Buffer。

Buffer的概念

首先我们先看一下Buffer的类图，Buffer在java.nio中被定义为抽象类：

在这里插入图片描述
Buffer被称为内存缓冲区，本质上也是内存中的一块，我们可以将数据写入内存中，之后从这块内存中读取数据。也可以将这个块内存封装成NIO Buffer对象，并提供一组常用的方法，方便对这块内存进行读写操作。

在Java NIO中，所有的数据都要经过Buffer，我们可以将Buffer理解为一个数组的封装，我们最常用的ByteBuffer对应的数据结构就是byte[]，下图是Buffer内部的基本结构。
在这里插入图片描述
再来看一下代码中Buffer的定义。

在这里插入图片描述

mark属性：代表标记，通过mark()方法，记录当前position值，将position值赋值给mark，在后续的写入或读取过程中，可以通过reset()方法恢复当前position为mark记录的值
position属性：代表读取或者写入Buffer的位置，代表读取或写入的下标，默认为0
- 每往Buffer中写入一个值，position就会自动加1，代表下一次写入的位置
- 每往Buffer中读取一个值，position就自动加1，代表下一次读取的位置
capacity属性：Buffer能够容纳的数据元素的最大值，在Buffer初始化创建的时候被赋值，而且不能被修改。
limit属性：代表Buffer可读可写的上限。
- 写模式下：limit 代表能写入数据的上限位置，这个时候limit = capacity
- 读模式下：在Buffer完成所有数据写入后，通过调用flip()方法，切换到读模式，此时limit等于Buffer中实际已经写入的数据大小。因为Buffer可能没有被写满，所以limit<=capacity

Buffer常用API

Buffer一般是与Channel配合起来用，Channel读数据的时候，会先读到Buffer里，写数据的时候，也会先写到Buffer里。

初始化

以ByteBuffer为例。它们有两个工厂方法allocate和allocateDirect，用于初始化和申请内存。前面提到了在操作IO时，通常使用直接内存，所以一般是这样初始化：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

可以用isDirect()方法来判断当前Buffer对象是否使用了直接内存。

写数据，往Buffer中写数据主要有两种方式
- 从Channel写到Buffer
- 从数组写到Buffer

从Channel写到Buffer用的是Channel的read(Buffer buffer)方法，而从数组写到Buffer，主要用的是Buffer的put方法。

// 获取Channel里面的数据并写到buffer
// 返回的是读的位置，也就是buffer的position
int readBytes = socketChannel.read(buffer);

// 从byte数组写到Buffer
buffer.put("hi, 这是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

切换模式

Buffer分为读模式和写模式，可以通过flip()方法转换模式。事实上，查看这个方法源码，发现flip方法也只是对三个指针进行了操作而已。

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

读数据，读数据也有两种方式
- 从Buffer读到Channel
- 从Buffer读到数组

读数据会从position读到limit的位置。

// 读取buffer的数据并写入channel
socketChannel.write(buffer);

// 把buffer里面的数据读到byte数组
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(bytes);
String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);

这里用到了Buffer的remaining()方法。这个方法是告诉我们需要读多少字节，方法源码：

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

清空

一般来说，一个Channel用一个Buffer，但Buffer可以重复使用，尤其是对于一些比较大的IO传输内容来说（比如文件），clear()与compact()方法可以重置Buffer。它们有一些微小的区别。

对于clear方法来说，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。

compact方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素后面一位。limit属性依然像clear方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

一般来说，用clear方法的场景会多一点。

源码：

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

public ByteBuffer compact() {
    int pos = position();
    int lim = limit();
    assert (pos <= lim);
    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
    try {
        UNSAFE.copyMemory(ix(pos), ix(0), (long)rem << 0);
    } finally {
        Reference.reachabilityFence(this);
    }
    position(rem);
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;
}

Buffer简单的使用例子

从字符串到Channel

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 从字符串写到Buffer
buffer.put("hi, 这是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
buffer.flip(); // 转换模式
// 从Buffer写到Channel
socketChannel.write(buffer);

从Channel到字符串

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 从Channel写到Buffer
int readBytes = socketChannel.read(buffer);
if (readBytes > 0) {
    buffer.flip(); // 转换模式
    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    // 从Buffer写到字节数组
    buffer.get(bytes);
    String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("server 收到：" + body);
}