Java NIO 之 Buffer

Java NIO 之 Buffer

　　Java NIO （Non Blocking IO 或者 New IO）是一种非阻塞IO的实现。NIO通过Channel、Buffer、Selector几个组件的协同实现提升IO效率的目的。而ByteBuffer是其中最基础的一种Buffer实现。

阻塞 or 非阻塞

　　阻塞/非阻塞，同步/异步是两组非常容易产生混淆的概念。

同步/异步：是从消息通信机制的划分，如果调用者在没有得到结果前“调用”不返回，则是同步的。而如果调用发出后，调用直接返回，结果由被调用者通过某种机制（通知、状态）返回，则是异步的。

阻塞/非阻塞：是站在调用者的角度，描述调用者在等待调用结果时的状态。阻塞是指，在得到返回结果前，当前线程会被一直挂起，只有在得到结果后才返回。非阻塞是指，调用不会阻塞当前线程，可能不会得到想要的结果，但会立刻返回。

以找老板签报销单为例：

如果去老板工位发现老板不在，你一直站在旁边等老板回来签字才回去，那你就是阻塞的（好蠢。。。）；

如果去老板工位发现老板不在，你立马回来继续撸代码，过会又跑去看看老板在不在，如果不在又回来喝口水。。。那这个过程你就是非阻塞的（也有点蠢。。。）；

而上述两个过程中，“通信机制”都是同步的。而：

如果，你跑过去找老板签字，老板说放这吧，过会老板把签好的报销单交给你，那这次交互过程就是异步的（想得美。。。）；

可见JAVA NIO是非阻塞式的IO，是同步的IO机制。

Buffer的结构

Buffer通过position，limit，capacity三个变量管理内容。其中：capacity标记Buffer总容量大小；position标识当前可读或者可写的初始位置；limit标记当前可读或者可写的极限位置，当Buffer处于write模式时，limit=capacity，当切换至Read模式时，limit为对应写模式时的position。三者满足：position <= limit <= capacity；一种Buffer从写模式切换至读模式的示意如下图：

Flip,Clear与Rewind

Clear操作，置position=0, limit=capacity，将Buffer置于写模式；

Flip操作，置limit=last_position, position=0，将Buffer置于读模式；

Rewind操作，置position=0, limit不变，使得可以重新读取Buffer中的内容。

 

HeapByteBuffer , Direct ByteBuffer 与 MappedByteBuffer

ByteBuffer本质是一块内存区域。对于ByteBuffer，可以通过allocate(int)和allocateDirect(int)分别分配Heap和Direct Buffer。ByteBuffer持有仅对Heap Buffer有效的一个字节型数组：

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

可见HeapByteBuffer是直接分配在堆上的，可以简单理解为byte[]的一种封装。

而Direct Buffer不直接分配在堆上，其不受GC管理（而指向这块内存的Java对象是受GC管理的，只有GC回收了这个对象，操作系统才会释放Direct Buffer的内存空间）。

由于Direct Buffer由系统直接管理，其读写的消耗小于在堆上进行读写（减少了从系统至程序内存空间的拷贝）。实际上每次使用ByteBuffer进行读写时，都会临时开辟一段DirectBuffer（JDK实现上对其做了池化，避免了频繁创建和释放DirectBuffer带来的高系统调用消耗），将ByteBuffer中的内容拷贝进其中，再进行后续操作，多了一步Buffer间的拷贝操作。所以对于重复使用的Buffer，使用Direct Buffer的优点显而易见。

但是创建和释放Direct Buffer的代价则高于Heap Buffer（系统函数的直接调用），同时不当地使用DirectBuffer更容易引起内存泄漏。

MappedByteBuffer是一种DirectByteBuffer，而其内容是一个文件的全部或者部分映射。由于MappedByteBuffer对进行了文件进行了内存映射，避免了读写时进行write/read系统调用，所有在大文件读写方面具有极高的性能。但是其同样存在DirectByteBuffer存在的问题，同时涉及文件操作，文件的关闭也依赖于垃圾回收。

对上述三种Buffer进行测试对比，分别读写大小为1M，256M和1G的文件（过小的文件并没有性能上的明显差异），结果如下：

可见，当文件较小时三者并没有明显的性能差异。而在进行大文件的读写时MappedByteBuffer表现出了明显的性能优势。同时可以看到Direct和Heap之间并没有明显的差异。