Java NIO3：缓冲区Buffer

在上一篇中，我们介绍了NIO中的两个核心对象：缓冲区和通道，在谈到缓冲区时，我们说缓冲区对象本质上是一个数组，但它其实是一个特殊的数组，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况，如果我们使用get()方法从缓冲区获取数据或者使用put()方法把数据写入缓冲区，都会引起缓冲区状态的变化。

在缓冲区中，最重要的属性有下面三个，它们一起合作完成对缓冲区内部状态的变化跟踪：

position：指定了下一个将要被写入或者读取的元素索引，它的值由get()/put()方法自动更新，在新创建一个Buffer对象时，position被初始化为0。

limit：指定还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。

capacity：指定了可以存储在缓冲区中的最大数据容量，实际上，它指定了底层数组的大小，或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。

以上四个属性值之间有一些相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity。如果我们创建一个新的容量大小为10的ByteBuffer对象，在初始化的时候，position设置为0，limit和 capacity被设置为10，在以后使用ByteBuffer对象过程中，capacity的值不会再发生变化，而其它两个个将会随着使用而变化。四个属性值分别如图所示：

现在我们可以从通道中读取一些数据到缓冲区中，注意从通道读取数据，相当于往缓冲区中写入数据。如果读取4个自己的数据，则此时position的值为4，即下一个将要被写入的字节索引为4，而limit仍然是10，如下图所示：

下一步把读取的数据写入到输出通道中，相当于从缓冲区中读取数据，在此之前，必须调用flip()方法，该方法将会完成两件事情：

1. 把limit设置为当前的position值
2. 把position设置为0

由于position被设置为0，所以可以保证在下一步输出时读取到的是缓冲区中的第一个字节，而limit被设置为当前的position，可以保证读取的数据正好是之前写入到缓冲区中的数据，如下图所示：

现在调用get()方法从缓冲区中读取数据写入到输出通道，这会导致position的增加而limit保持不变，但position不会超过limit的值，所以在读取我们之前写入到缓冲区中的4个自己之后，position和limit的值都为4，如下图所示：

在从缓冲区中读取数据完毕后，limit的值仍然保持在我们调用flip()方法时的值，调用clear()方法能够把所有的状态变化设置为初始化时的值，如下图所示：

下面用一段代码来验证这个过程，如下所示：

package com.demo.nio;

import java.io.FileInputStream;
import java.nio.Buffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class TestBuffer {

    public static void main(String[] args) throws Exception{

        FileInputStream fin = new FileInputStream("c:\\test.txt");
        FileChannel fc = fin.getChannel();

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        output("初始化",buffer);

        fc.read(buffer);
        output("调用read()", buffer);

        buffer.flip();
        output("调用flip()", buffer);

        while (buffer.remaining() > 0) {
            byte b = buffer.get();
            // System.out.print(((char)b));
        }
        output("调用get()", buffer);

        buffer.clear();
        output("调用clear()", buffer);

        fin.close();

    }

    public static void output(String step, Buffer buffer) {
        System.out.println(step + " : ");
        System.out.print("capacity: " + buffer.capacity() + ", ");
        System.out.print("position: " + buffer.position() + ", ");
        System.out.println("limit: " + buffer.limit());
        System.out.println();
    }

}

完成的输出结果为：

缓冲区的分配

在前面的几个例子中，我们已经看过了，在创建一个缓冲区对象时，会调用静态方法allocate()来指定缓冲区的容量，其实调用 allocate()相当于创建了一个指定大小的数组，并把它包装为缓冲区对象。或者我们也可以直接将一个现有的数组，包装为缓冲区对象，如下示例代码所示：

public class BufferWrap {

    public void myMethod()
    {
        // 分配指定大小的缓冲区
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(10);

        // 包装一个现有的数组
        byte array[] = new byte[10];
        ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.wrap( array );
    }
}

缓冲区分片：

在NIO中，除了可以分配或者包装一个缓冲区对象外，还可以根据现有的缓冲区对象来创建一个子缓冲区，即在现有缓冲区上切出一片来作为一个新的缓冲区，但现有的缓冲区与创建的子缓冲区在底层数组层面上是数据共享的，也就是说，子缓冲区相当于是现有缓冲区的一个视图窗口。调用slice()方法可以创建一个子缓冲区，让我们通过例子来看一下：

@Test
public void testSliceBuffer(){
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

    // 缓冲区中的数据0-9
    for (int i=0; i<buffer.capacity(); i++) {
        buffer.put( (byte)i );
    }

    // 创建子缓冲区
    buffer.position(3);
    buffer.limit(7);
    ByteBuffer slice = buffer.slice();

    // 改变子缓冲区的内容
    for (int i=0; i<slice.capacity(); i++) {
        byte b = slice.get( i );
        b *= 10;
        slice.put( i, b );
    }

    buffer.position( 0 );
    buffer.limit( buffer.capacity() );

    while (buffer.remaining()>0) {
        System.out.println( buffer.get() );
    }
    System.out.print("\n");
}

在该示例中，分配了一个容量大小为10的缓冲区，并在其中放入了数据0-9，而在该缓冲区基础之上又创建了一个子缓冲区，并改变子缓冲区中的内容，从最后输出的结果来看，只有子缓冲区“可见的”那部分数据发生了变化，并且说明子缓冲区与原缓冲区是数据共享的，输出结果如下所示：

只读缓冲区

只读缓冲区非常简单，可以读取它们，但是不能向它们写入数据。可以通过调用缓冲区的asReadOnlyBuffer()方法，将任何常规缓冲区转 换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区，并与原缓冲区共享数据，只不过它是只读的。如果原缓冲区的内容发生了变化，只读缓冲区的内容也随之发生变化：

@Test
public void testReadOnlyBuffer(){

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

    // 缓冲区中的数据0-9
    for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {
        buffer.put( (byte)i );
    }

    // 创建只读缓冲区
    ByteBuffer readonly = buffer.asReadOnlyBuffer();

    // 改变原缓冲区的内容
    for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {
        byte b = buffer.get( i );
        b *= 10;
        buffer.put( i, b );
    }

    readonly.position(0);
    readonly.limit(buffer.capacity());

    // 只读缓冲区的内容也随之改变
    while (readonly.remaining()>0) {
        System.out.println( readonly.get());
    }

}

运行结果如下所示：

如果尝试修改只读缓冲区的内容，则会报ReadOnlyBufferException异常。只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个对象的方法时，无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以保证该缓冲区不会被修改。只可以把常规缓冲区转换为只读缓冲区，而不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。