java输入输出 -- java NIO之缓存区Buffer

一、简介

　　java NIO相关类在jdk1.4被引入，用于提高I/O的效率。java NIO包含很多东西，但核心的东西不外乎Buffer、channel和selector。本文先来看Buffer的实现。

二、继承体系

　　Buffer 的继承类比较多，用于存储各种类型的数据。包括 ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer、FloatBuffer 等等。这其中，ByteBuffer 最为常用。所以接下来将会主要分析 ByteBuffer 的实现。Buffer 的继承体系图如下：

　　　　　　　　　　

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其实核心是第一个的ByteBuffer，后面的一串类只是包装了一下它而已，我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我们应该将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件，也不是本文关注的重点

三、源码

1.属性及相关操作

　　Buffer 本质就是一个数组，只不过在数组的基础上进行适当的封装，方便使用。 Buffer 中有几个重要的属性，通过这几个属性来显示数据存储的信息。

　　这个属性分别是：

　　　　1. capacity 容量：Buffer 所能容纳数据元素的最大数量，也就是底层数组的容量值。在创建时被指定，不可更改。

　　　　2. position 位置：下一个被读或被写的位置

　　　　3. limit 上届：可供读写的最大位置，用于限制position，position < limit

　　　　4. mark 标记：位置标记，用于记录某一次的读写位置，可以通过reset重新回到这个位置。

2. ByteBuffer 初始化

　　 ByteBuffer 可通过 allocate、allocateDirect 和 wrap 等方法初始化，这里以 allocate 为例：

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

HeapByteBuffer(int cap, int lim) {
    super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}

ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap, byte[] hb, int offset) {
    super(mark, pos, lim, cap);
    this.hb = hb;
    this.offset = offset;
}

　　上面是 allocate 创建 ByteBuffer 的过程，ByteBuffer 是抽象类，所以实际上创建的是其子类 HeapByteBuffer。HeapByteBuffer 在构造方法里调用父类构造方法，将一些参数值传递给父类。

　　最后父类再做一次中转，相关参数最终被传送到 Buffer 的构造方法中了。我们再来看一下 Buffer 的源码：

public abstract class Buffer {

    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;

    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;
        }
    }
}

Buffer 创建完成后，底层数组的结构信息如下：

　　　　

上面的几个属性作为公共属性，被放在了 Buffer 中，相关的操作方法也是封装在 Buffer 中。那么接下来，我们来看看这些方法吧。

3. ByteBuffer 读写操作

　　ByteBuffer 读写操作时通过 get 和 put 完成的，这两个方法都有重载，这些方法是在子类中HeapByteBuffer实现我们只看其中一个。

// 读操作
public byte get() {
    return hb[ix(nextGetIndex())];
}

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

// 写操作
public ByteBuffer put(byte x) {
    hb[ix(nextPutIndex())] = x;
    return this;
}

final int nextPutIndex() {
    if (position >= limit)
        throw new BufferOverflowException();
    return position++;
}

　　读写操作都会修改 position 的值，每次读写的位置是当前 position 的下一个位置。通过修改 position，我们可以读取指定位置的数据。当然，前提是 position < limit。

　　Buffer 中提供了position(int) 方法用于修改 position 的值。

public final Buffer position(int newPosition) {
    if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
        throw new IllegalArgumentException();
    position = newPosition;
    if (mark > position) mark = -1;
    return this;
}

当我们向一个刚初始化好的 Buffer 中写入一些数据时，数据存储示意图如下：

如果读取里面的数据，就需要修改 position 的值。将 position 设置为 0，这样就能从头读取刚刚写入的数据。

仅修改 position 的值是不够的，如果想正确读取刚刚写入的数据，还需修改 limit 的值，不然还是会读取到空白空间上的内容。

我们将 limit 指向数据区域的尾部，即可避免这个问题。修改 limit 的值通过 limit(int) 方法进行。

public final Buffer limit(int newLimit) {
    if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
        throw new IllegalArgumentException();
    limit = newLimit;
    if (position > limit) position = limit;
    if (mark > limit) mark = -1;
    return this;
}

修改后，数据存储示意图如下：

上面为了正确读取写入的数据，需要两步操作。Buffer 中提供了一个便利的方法，将这两步操作合二为一，即 flip 方法。

public final Buffer flip() {
    // 1. 设置 limit 为当前位置
    limit = position;
    // 1. 设置 position 为0
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

4.ByteBuffer 标记

　　我们在读取或写入的过程中，可以在感兴趣的位置打上一个标记，这样我们可以通过这个标记再次回到这个位置。

　　Buffer 中，打标记的方法是 mark，回到标记位置的方法时 reset。简单看下源码吧。

public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}

public final Buffer reset() {
    int m = mark;
    if (m < 0)
        throw new InvalidMarkException();
    position = m;
    return this;
}

打标记及回到标记位置的流程如下：

四、子类实现简单分析

它的子类实现，主要是HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。

HeapByteBuffer

　　ByteBuffer 的 allocate 方法，该方法实际上创建的是 HeapByteBuffer 对象。

　　HeapByteBuffer顾名思义就是JVM堆上的字节缓冲区，他用于缓存数据的byte数组就是直接在堆内申请的。默认的构造方法直接就是new一个byte数组作为数据存储的缓冲区。

DirectByteBuffer

　　ByteBuffer 还有一个方法 allocateDirect。这个方法创建的是 DirectByteBuffer 对象。DirectByteBuffer翻译过来就是直接的字节缓冲区，它是使用直接内存的，即不从JVM的堆上分配内存。

那堆空间和直接内存在使用上有什么不同呢？用一个表格列举一下吧。

空间类型	优点	缺点
堆内空间	分配速度快	JVM 整理内存空间时，堆内空间的位置会被搬动，比较笨重
堆外空间	1. 空间位置固定，不用担心空间被 JVM 随意搬动 2. 降低堆内空间的使用率	1. 分配速度慢 2. 回收策略比较复杂

五、总结

　　Buffer 是 Java NIO 中一个重要的辅助类，使用比较频繁。在不熟悉 Buffer 的情况下，有时候很容易因为忘记调用 flip 或其他方法导致程序出错。

　　不过好在 Buffer 的源码不难理解，大家可以自己看看，这样可以避免出现一些奇怪的错误。

感谢：http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/