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Java NIO中Buffer使用备忘

很长时间都是在用Netty进行网络编程,Java原生NIO的很多概念都忘得差不多了,今天在工作中遇到要使用ByteBuffer,发现竟然已经不会用了,这里将NIO中Buffer的概念再梳理一遍以备忘。

Buffer的基本用法

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知,数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写入到通道中的。

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

  1. 写入数据到Buffer
  2. 调用flip()方法
  3. 从Buffer中读取数据
  4. 调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时,buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据,需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下,可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据,就需要清空缓冲区,让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区:调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处,新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

示例:

FileInputStream aFileIn = new FileInputStream(aFile);
FileChannel inChannel = aFileIn.getChannel();

//create buffer with capacity of 4096 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(4096);

int bytesRead = -1;
while ((bytesRead = inChannel.read(buf)) != -1) {
  buf.flip();  //make buffer ready for read
  while(buf.hasRemaining()){
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
  }
  buf.clear(); //make buffer ready for writing
}
aFileIn.close();

Buffer的capacity,position和limit

NIO的Buffer与Netty的不一样,它是单指针的,Buffer在不同模式下,指针的含义不同。

为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性:

  1. capacity
  2. position
  3. limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式,capacity的含义总是一样的。

NIO Buffer模式说明

  • capacity

作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。

  • position

当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后, position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。

  • limit

在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下,limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时, limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position)

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型

  • ByteBuffer
  • CharBuffer
  • DoubleBuffer
  • FloatBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • ShortBuffer

这些Buffer类型代表了不同的数据类型, 可以通过char,short,int,long,float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

1

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式:

  • 从Channel写到Buffer。
  • 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

1

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

通过put方法写Buffer的例子

1

buf.put(127);

还有很多重载的put方法。

flip方法

flip方法可以将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式:

  • 从Buffer读取数据到Channel。
  • 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子:

//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

1

byte aByte = buf.get();

还有很多重载的get方法。

clear与compact方法

一旦读完Buffer中的数据,需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法,position将被设回0,limit被设置成 capacity的值。换句话说,Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先先写些数据,那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

其它重要方法

  • mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如:

buffer.mark();
//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
buffer.reset();  //set position back to mark.

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