玩转 ByteBuffer

SH的全栈笔记

发布于 2022-08-17 15:35:22

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发布于 2022-08-17 15:35:22

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为什么要讲 Buffer

首先为什么一个小小的 Buffer 我们需要单独拎出来聊？或者说，Buffer 具体是在哪些地方被用到的呢？

例如，我们从磁盘上读取一个文件，并不是直接就从磁盘加载到内存中，而是首先会将磁盘中的数据复制到内核缓冲区中，然后再将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区内，在图里看起来就是这样：

从磁盘读取文件

再比如，我们往磁盘上写文件，也不是直接将数据写到磁盘。而是将数据从用户缓冲区写到内核缓冲区，由操作系统择机将其刷入磁盘，图跟上面这个差不多，就不画了，自行理解。

再再比如，服务器接受客户端发过来的数据时，也不是直接到用户态的 Buffer 中。而是会先从网卡到内核态的 Buffer 中，再从内核态的 Buffer 中复制到用户态的 Buffer 中。

那为什么要这么麻烦呢？复制来复制去的，首先~~我们用排除法排除这样做是为了好玩。~~

Buffer 存在的目的是为了减少与设备（例如磁盘）的交互频率，在之前的博客中也提到过「磁盘的读写是很昂贵的操作」。那昂贵在哪里呢？简单来说，和设备的交互（例如和磁盘的IO）会设计到操作系统的中断。中断需要保存之前的进程运行的上下文，中断结束之后又需要恢复这个上下文，并且还涉及到内核态和用户态的切换，总体上是个耗时的操作。

看到这里，不熟悉操作系统的话可能会有点疑惑。例如：

啥是用户态
啥是内核态

大家可以去看看我之前写的文章 《简单聊聊用户态和内核态的区别》

Buffer 的使用

我们通过 Java 中 NIO 包中实现的 Buffer 来给大家讲解，Buffer 总共有 7 种实现，就包含了 Java 中实现的所有数据类型。

Buffer的种类 (1)

本篇文章中，我们使用的是 ByteBuffer，其常用的方法都有：

put
get
flip
rewind
mark
reset
clear

接下来我们就通过实际的例子来了解这些方法。

put

put 就是往 ByteBuffer 里写入数据，其有有很多重载的实现：

public ByteBuffer put(ByteBuffer src) {...}

public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}

我们可以直接传入 ByteBuffer 对象，也可以直接传入原生的 byte 数组，还可以指定写入的 offset 和长度等等。接下来看个具体的例子：

public static void main(String[] args) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put(new byte[]{'s','h'});
}

为了能让大家更直观的看出 ByteBuffer 内部的情况，我将它整理成了图的形式。当上面的代码运行完之后 buffer 的内部长这样：

put

当你尝试使用 System.out.println(buffer) 去打印变量 buffer 的时候，你会看到这样的结果：

java.nio.HeapByteBuffer[pos=2 lim=16 cap=16]

图里、控制台里都有 position 和 limit 变量，capacity 大家能理解，就是我们创建这个 ByteBuffer 的制定的大小 16。

而至于另外两个变量，相信大家从图中也可以看出来，position 变量指向的是下一次要写入的下标，上面的代码我们只写入了 2 个字节，所以 position 指向的是 2，而这个 limit 就比较有意思了，这个在后面的使用中结合例子一起讲。

get

get 是从 ByteBuffer 中获取数据。

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s','h'});
  System.out.println(buffer.get());
}

如果你运行完上面的代码你会发现，打印出来的结果是 0 ，并不是我们期望的 s 的 ASCII 码 115。

首先告诉大家结论，这是符合预期的，这个时候就不应该能获取到值。我们来看看 get 的源码：

public byte get() { return hb[ix(nextGetIndex())]; }

protected int ix(int i) { return i + offset; }

final int nextGetIndex() {                          
  int p = position;
  if (p >= limit)
    throw new BufferUnderflowException();
  // 这里 position 会往后移动一位
  position = p + 1;
  return p;
}

当前 position 是 2，而 limit 是 16，所以最终 nextGetIndex 计算出来的值就是变量 p 的值 2 ，再过一次 ix ，那就是 2 + 0 = 2，这里的 offset 的值默认为 0 。

所以简单来说，最终会取到下标为 2 的数据，也就是下图这样。

所以我们当然获取不到数据。但是这里需要关注的是，调用 get 方法虽然没有获取到任何数据，但是会使得 position 指针往后移动。换句话说，会占用一个位置。如果连续调用几次这种 get 之后，再调用 put 方法写入数据，就会造成有几个位置没有赋值。举个例子，假设我们运行以下代码：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s','h'});

  buffer.get();
  buffer.get();
  buffer.get();
  buffer.get();

  buffer.put(new byte[]{'e'});
}

数据就会变成下图这样，position 会往后移动

那你可能会问，那我真的需要获取数据咋办？在这种情况下，可以像这样获取：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s'});
  System.out.println(buffer.get(0)); // 115
}

传入我们想要获取的下标，就可以直接获取到，并且不会造成 position 的后移。

看到这那你更懵逼了，合着 get() 就没法用呗？还必须要给个 index。这就需要聊一下另一个方法 flip了。

flip

废话不多说，先看看例子：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s', 'h'}); // java.nio.HeapByteBuffer[pos=2 lim=16 cap=16]
  buffer.flip();
  System.out.println(buffer); // java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=2 cap=16]
}

有意思的事情发生了，调用了 flip 之后，position 从 2 变成了 0，limit 从 16 变成了 2。

这个单词是「翻动」的意思，我个人的理解是像翻东西一样把之前存的东西全部翻一遍

你会发现，position 变成了 0，而 limit 变成 2，这个范围刚好是有值的区间。

接下来就更有意思了:

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s', 'h'});
  buffer.flip();
  System.out.println((char)buffer.get()); // s
  System.out.println((char)buffer.get()); // h
}

调用了 flip 之后，之前没法用的 get() 居然能用了。结合 get 中给的源码不难分析出来，由于 position 变成了 0，最终计算出来的结果就是 0，同时使 position 向后移动一位。

终于到这了，你可以理解成 Buffer 有两种状态，分别是：

读模式
写模式

刚刚创建出来的 ByteBuffer 就处于一个写模式的状态，通过调用 flip 我们可以将 ByteBuffer 切换成读模式。但需要注意，这里讲的读、写模式只是一个逻辑上的概念。

举个例子，当调用 flip 切换到所谓的写模式之后，依然能够调用 put 方法向 ByteBuffer 中写入数据。

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s', 'h'});
  buffer.flip();
  buffer.put(new byte[]{'e'});
}

这里的 put 操作依然能成功，但你会发现最后写入的 e 覆盖了之前的数据，现在 ByteBuffer 的值变成了 eh 而不是 sh 了。

flip_put

所以你现在应该能够明白，读模式、写模式更多的含义应该是：

方便你读的模式
方便你写的模式

顺带一提，调用 flip 进入写读模式之后，后续如果调用 get() 导致 position 大于等于了 limit 的值，程序会抛出 BufferUnderflowException 异常。这点从之前 get 的源码也可以看出来。

rewind

rewind 你也可以理解成是运行在读模式下的命令，给大家看个例子：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'s', 'h'});
  buffer.flip();
  System.out.println((char)buffer.get()); // s
  System.out.println((char)buffer.get()); // h

  // 从头开始读
  buffer.rewind();

  System.out.println((char)buffer.get()); // s
  System.out.println((char)buffer.get()); // h
}

所谓的从头开始读就是把 position 给归位到下标为 0 的位置，其源码也很简单：

public final Buffer rewind() {
  position = 0;
  mark = -1;
  return this;
}

rewind

就是简单的把 position 赋值为 0，把 mark 赋值为 -1。那这个 mark 又是啥东西？这就是我们下一个要聊的方法。

mark & reset

mark 用于标记当前 postion 的位置，而 reset 之所以要放到一起讲是因为 reset 是 reset 到 mark 的位置，直接看例子：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
  
  // 切换到读模式
  buffer.flip();
  System.out.println((char) buffer.get()); // a
  System.out.println((char) buffer.get()); // b

  // 控记住当前的 position
  buffer.mark();
  
  System.out.println((char) buffer.get()); // c
  System.out.println((char) buffer.get()); // d

  // 将 position reset 到 mark 的位置
  buffer.reset();
  System.out.println((char) buffer.get()); // c
  System.out.println((char) buffer.get()); // d
}

可以看到的是，我们在 position 等于 2 的时候，调用了 mark 记住了 position 的位置。然后遍历完了所有的数据。然后调用 reset 使得 position 回到了 2 的位置，我们继续调用 get ，c d 就又可以被打印出来了。

clear

clear 表面意思看起来是将 buffer 清空的意思，但其实不是，看这个：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
}

put 完之后，buffer 的情况是这样的。

当我们调用完 clear 之后，buffer 就会变成这样。

所以，你可以理解为，调用 clear 之后只是切换到了写模式，因为这个时候往里面写数据，会覆盖之前写的数据，相当于起到了 clear 作用，再举个例子：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
  buffer.clear();
  buffer.put(new byte[]{'s','h'});
}

可以看到，运行完之后 buffer 的数据变成了 shcd，后写入的数据将之前的数据给覆盖掉了。

除了 clear 可以切换到写模式之外，还有另一个方法可以切换，这就是本篇要讲的最后一个方法 compact。

compact

先一句话给出 compact 的作用：将还没有读完的数据挪到 Buffer 的首部，并切换到写模式，代码如下：

public static void main(String[] args) {
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put("abcd".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

  // 切换到读模式
  buffer.flip();
  System.out.println((char) buffer.get()); // a

  // 将没读过的数据, 移到 buffer 的首部
  buffer.compact(); // 此时 buffer 的数据就会变成 bcdd
}

当运行完 flip 之后，buffer 的状态应该没什么问题了：

运行完 flip 之后

而 compact 之后发生了什么呢？简单来说就两件事：

将 position 移动至对应的位置
将没有读过的数据移动到 buffer 的首部

这个对应是啥呢？先给大家举例子；例如没有读的数据是 bcd，那么 position 就为 3；如果没有读的数据为 cd，position 就为 2。所以你发现了，position 的值为没有读过的数据的长度。

从 buffer 内部实现机制来看，凡是在 position - limit 这个区间内的，都算没有读过的数据

所以，当运行完 compact 之后，buffer 长这样：

运行完 compact 之后

limit 为 16 是因为 compact 使 buffer 进入了所谓的写模式。

EOF

还有一些其他的方法就不在这里列举了，大家感兴趣可以自己去玩玩，都没什么理解上的难度了。之后可能会再专门写一写 Channel 和 Selector，毕竟 Java 的 nio 三剑客，感兴趣的可以关注一下。

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原始发表：2021-12-29，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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