BufferedInputStream详解

BufferedInputStream是一个带有缓冲区域的InputStream,它的继承体系如下： 



InputStream 

|__FilterInputStream 

        |__BufferedInputStream 



首先了解一下FilterInputStream： 

FilterInputStream通过装饰器模式将InputStream封装至内部的一个成员变量：

1. protected volatile InputStream in;

需要注意的是该成员变量使用了volatile关键字进行修饰，这意味着该成员变量的引用的内存可见性为多线程即时可见的。 

其它地方FilterInputStream将所有的操作委托给了in这个成员进行操作。 



了解了这些过后，来仔细看看BufferedInputStream的成员变量：

1. //该变量定义了默认的缓冲大小
2. protected volatile byte buf[]; //缓冲数组，注意该成员变量同样使用了volatile关键字进行修饰，作用为在多线程环境中，当对该变量引用进行修改时保证了内存的可见性。
3. private static final AtomicReferenceFieldUpdater<BufferedInputStream, byte[]> bufUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(BufferedInputStream.class,  byte[].class, "buf")//缓存数组的原子更新器，该成员变量与buf数组的volatile关键字共同组成了buf数组的原子更新功能实现。
4. protected int count;//该成员变量表示目前缓冲区域中有多少有效的字节。
5. protected int pos;//该成员变量表示了当前缓冲区的读取位置。
6. ;/*表示标记位置，该标记位置的作用为：实现流的标记特性，即流的某个位置可以被设置为标记，允许通过设置reset()，将流的读取位置进行重置到该标记位置，但是InputStream注释上明确表示，该流不会无限的保证标记长度可以无限延长，即markpos=15,pos=139734，该保留区间可能已经超过了保留的极限（如下）*/
7. protected int marklimit;/*该成员变量表示了上面提到的标记最大保留区间大小，当pos-markpos> marklimit时，mark标记可能会被清除（根据实现确定）。*/

通过构造函数可以看到：初始化了一个byte数组作为缓冲区域

1. public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
2. super(in);
3. ) {
4. throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
5. }
6. buf = new byte[size];
7. }

这个类中最为重要的方法是fill()方法，它提供了缓冲区域的读取、写入、区域元素的移动更新等。下面着重分析一下该方法：

1. private void fill() throws IOException {
2. byte[] buffer = getBufIfOpen();
3. ) ｛
4. /*如果不存在标记位置（即没有需要进行reset的位置需求）
5. 则可以进行大胆地直接重置pos标识下一可读取位置,但是这样
6. 不是会读取到以前的旧数据吗？不用担心，在后面的代码里☆会实现输入流的新
7. 数据填充*/
8. ;
9. ｝else if (pos >= buffer.length)｛
10. /* 位置大于缓冲区长度，这里表示已经没有可用空间了 */
11. ) {
12. /* 表示存在mark位置，则要对mark位置到pos位置的数据予以保留，
13. 以确保后面如果调用reset()重新从mark位置读取会取得成功*/
14. int sz = pos - markpos;
15. /*该实现是通过将缓冲区域中markpos至pos部分的移至缓冲区头部实现*/
16. , sz);
17. pos = sz;
18. ;
19. } else if (buffer.length >= marklimit) {
20. /* 如果缓冲区已经足够大，可以容纳marklimit，则直接重置*/
21. ;
22. ;/* 丢弃所有的缓冲区内容 */
23. } else {
24. /* 如果缓冲区还能增长的空间，则进行缓冲区扩容*/
25. ;
26. /*新的缓冲区大小设置成满足最大标记极限即可*/
27. if (nsz > marklimit)
28. nsz = marklimit;
29. byte nbuf[] = new byte[nsz];
30. //将原来的较小的缓冲内容COPY至增容的新缓冲区中
31. , nbuf, 0, pos);
32. //这里使用了原子变量引用更新，确保多线程环境下内存的可见性
33. if (!bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, nbuf)) {
34. // Can't replace buf if there was an async close.
35. // Note: This would need to be changed if fill()
36. // is ever made accessible to multiple threads.
37. // But for now, the only way CAS can fail is via close.
38. // assert buf == null;
39. throw new IOException("Stream closed");
40. }
41. buffer = nbuf;
42. }
43. count = pos;
44. //从原始输入流中读取数据，填充缓冲区
45. int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);
46. //根据实际读取的字节数更新缓冲区中可用字节数
47. )
48. count = n + pos;
49. }

整个fill的过程，可以看作是BufferedInputStream对外提供滑动读取的功能实现，通过预先读入一整段原始输入流数据至缓冲区中，而外界对BufferedInputStream的读取操作实际上是在缓冲区上进行，如果读取的数据超过了缓冲区的范围，那么BufferedInputStream负责重新从原始输入流中载入下一截数据填充缓冲区，然后外界继续通过缓冲区进行数据读取。这样的设计的好处是：避免了大量的磁盘IO，因为原始的InputStream类实现的read是即时读取的，即每一次读取都会是一次磁盘IO操作（哪怕只读取了1个字节的数据），可想而知，如果数据量巨大，这样的磁盘消耗非常可怕。而通过缓冲区的实现，读取可以读取缓冲区中的内容，当读取超过缓冲区的内容后再进行一次磁盘IO，载入一段数据填充缓冲，那么下一次读取一般情况下就直接可以从缓冲区读取，减少了磁盘IO。减少的磁盘IO大致可以通过以下方式计算（限read()方式）： 



length  流的最终大小 

bufSize 缓冲区大小 



则通过缓冲区实现的输入流BufferedInputStream的磁盘IO数为原始InputStream磁盘IO的 

1/(length/bufSize) 



read方法解析：该方法返回当前位置的后一位置byte值（int表示）.

1. public synchronized int read() throws IOException {
2. if (pos >= count) {
3. /*表示读取位置已经超过了缓冲区可用范围，则对缓冲区进行重新填充*/
4. fill();
5. /*当填充后再次读取时发现没有数据可读，证明读到了流末尾*/
6. if (pos >= count)
7. ;
8. }
9. /*这里表示读取位置尚未超过缓冲区有效范围，直接返回缓冲区内容*/
10. return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
11. }

一次读取多个字节（尽量读，非贪婪)

1. private int read1(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
2. int avail = count - pos;
3. ) {
4. /*这里使用了一个巧妙的机制，如果读取的长度大于缓冲区的长度
5. 并且没有markpos，则直接从原始输入流中进行读取，从而避免无谓的
6. COPY（从原始输入流至缓冲区，读取缓冲区全部数据，清空缓冲区，
7. 重新填入原始输入流数据）*/
8. ) {
9. return getInIfOpen().read(b, off, len);
10. }
11. /*当无数据可读时，从原始流中载入数据到缓冲区中*/
12. fill();
13. avail = count - pos;
14. ) return -1;
15. }
16. int cnt = (avail < len) ? avail : len;
17. /*从缓冲区中读取数据，返回实际读取到的大小*/
18. System.arraycopy(getBufIfOpen(), pos, b, off, cnt);
19. pos += cnt;
20. return cnt;
21. }

以下方法和上面的方法类似，唯一不同的是，上面的方法是尽量读，读到多少是多少，而下面的方法是贪婪的读，没有读到足够多的数据（len）就不会返回，除非读到了流的末尾。该方法通过不断循环地调用上面read1方法实现贪婪读取。

1. public synchronized int read(byte b[], int off, int len)
2. throws IOException
3. {
4. getBufIfOpen(); // Check for closed stream
5. ) {
6. throw new IndexOutOfBoundsException();
7. ) {
8. ;
9. }
10. ;
11. for (;;) {
12. int nread = read1(b, off + n, len - n);
13. )
14. ) ? nread : n;
15. n += nread;
16. if (n >= len)
17. return n;
18. // if not closed but no bytes available, return
19. InputStream input = in;
20. )
21. return n;
22. }
23. }

略过多少字节

1. public synchronized long skip(long n) throws IOException {
2. getBufIfOpen(); // Check for closed stream
3. ) {
4. ;
5. }
6. long avail = count - pos;
7. ) {
8. // If no mark position set then don't keep in buffer
9. //从上面的注释可以知道，这也是一个巧妙的方法，如果没有mark标记，
10. // 则直接从原始输入流中skip
11. )
12. return getInIfOpen().skip(n);
13. // Fill in buffer to save bytes for reset
14. fill();
15. avail = count - pos;
16. )
17. ;
18. }
19. //该方法的实现为尽量原则，不保证一定略过规定的字节数。
20. long skipped = (avail < n) ? avail : n;
21. pos += skipped;
22. return skipped;
23. }

估计目前可用的字节数，原始流中可用的字节数+缓冲区中可用的字节数

1. public synchronized int available() throws IOException {
2. return getInIfOpen().available() + (count - pos);
3. }

标记位置：

1. public synchronized void mark(int readlimit) {
2. marklimit = readlimit;
3. markpos = pos;
4. }

重置位置：该实现清晰的表明下一读取位置被推到了以前的标记位置，以实现重新读取区段的功能

1. public synchronized void reset() throws IOException {
2. getBufIfOpen(); // Cause exception if closed
3. )
4. throw new IOException("Resetting to invalid mark");
5. pos = markpos;
6. }

关闭流：首先通过线程安全的方式设置了内部的缓冲区引用为空，然后再对原始输入流进行关闭。

1. public void close() throws IOException {
2. byte[] buffer;
3. while ( (buffer = buf) != null) {
4. if (bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, null)) {
5. InputStream input = in;
6. in = null;
7. if (input != null)
8. input.close();
9. return;
10. }
11. // Else retry in case a new buf was CASed in fill()
12. }
13. }