Java NIO之缓冲区
Java NIO之缓冲区
1.简介
Java NIO 相关类在 JDK 1.4 中被引入，用于提高 I/O 的效率。Java NIO 包含了很多东西，但核心的东西不外乎 Buffer、Channel 和 Selector。本文中，我们先来聊聊的 Buffer 的实现。Channel 和 Selector 将在随后的文章中讲到。
2.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：
3.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：
属性 | 说明 |
|---|---|
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。 |
position 位置 | 下一个被读或被写的位置 |
limit 上界 | 可供读写的最大位置，用于限制 position，position < limit |
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 |
3.1 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。
3.2 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，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：
如果我们想读取刚刚写入的数据，就需要修改 position 的值。否则 position 将指向没有存储数据的空间上，读取空白空间是没意义的。如上图，我们可以将 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;
}3.3 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：
4.DirectByteBuffer
在 ByteBuffer 初始化一节中，我介绍了 ByteBuffer 的 allocate 方法，该方法实际上创建的是 HeapByteBuffer 对象。除了 allocate 方法，ByteBuffer 还有一个方法 allocateDirect。这个方法创建的是 DirectByteBuffer 对象。两者有什么区别呢？简单的说，allocate 方法所请求的空间是在 JVM 堆内进行分配的，而 allocateDirect 请求的空间则是在 JVM 堆外的，这部分空间不被 JVM 所管理。那么堆内空间和堆空间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 |
DirectByteBuffer 牵涉的底层技术点比较多，想要弄懂，还需要好好打基础才行。由于本人目前能力很有限，关于 DirectByteBuffer 只能简单讲讲。待后续能力提高时，我会再来重写这部分的内容。如果想了解这方面的内容，建议大家看看其他的文章。
5.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。
好了，本文到这里就结束了，谢谢阅读！
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