Java NIO 緩衝區 Buffer

緩衝區 Buffer 是 Java NIO 中一個核心概念，它是一個線性結構，容量有限，存放原始類型數據（boolean 除外）的容器。

1. Buffer 中能夠存放的數據類型

java.nio.Buffer 是一個接口，有 7 個重要的子類，對應着 7 種（除 boolean 外）原始數據類型：IntBuffer, CharBuffer, FloatBuffer, DoubleBuffer, ShortBuffer, LongBuffer, ByteBuffer。

從類圖中能夠看到，7 種數據類型對應着 7 種子類，這些名字是 Heap 開頭子類，數據是存放在 JVM 堆中的；而 MappedByteBuffer 則是存放在堆外的直接內存中，能夠映射到文件。

2. 建立一個 Buffer

上面所列舉的 7 個類是抽象類，不能直接使用 new 關鍵字來實例化，而應該調用 allocate(int capacity) 方法來實例化一個 Buffer。

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(10);

每一個 Buffer 都有其固定的容量，上面這句代碼表示建立一個容量爲 10 的 CharBuffer，最多能夠往 Buffer 中存放 10 個 char 字符。Buffer 中有 3 個重要的屬性 capacity, limit, position：

capacity 是一個不可改變的非負整數，它在建立 Buffer 的時候設置。如上面建立的 buf 的 capacity 就是 10。

limit 也是一個非負整數，其值不能超過 capacity。它指向 Buffer 中第 1 個不可以被讀或者寫的元素。

position 表示 Buffer 中下一個被讀取或者寫入的單元。

下圖爲一個 CharBuffer 剛建立時的結構。它的內部存儲結構是一個 char[] 數組，capacity 和 limit 指向 10 的位置，position 指向位置 0 。同理，一個 IntBuffer 內部的存儲結構爲一個 int[] 數組。

上面分配的緩衝區存儲結構是數組，數組是存放在虛擬機堆內存中的，這一類 Buffer 也能夠稱爲堆緩衝區；事實上，調用 CharBuffer.allocate(capacity) 方法分配的緩衝區就是一個 HeapCharBuffer 的實例。相應地，有 7 種堆緩衝區。不過 ByteBuffer 有些特殊，它除了有常規地 HeapByteBuffer 以外，還有一個 MappedByteBuffer，它基於內存映射技術，內容是文件在內存中的映射；使用 MappedByteBuffer 訪問大文件效率要比 HeapByteBuffer 更高，這裏不做討論，其它文章有單獨的介紹。

3. Buffer 的讀和寫

一個 Buffer 能夠處於讀模式或者寫模式，兩種模式能夠發生切換。一個剛建立的 Buffer 處於寫模式，此時能夠往裏面寫入數據。

3.1 put(char c) 寫入數據

put(char c) 方法能夠往 Buffer 中寫入數據。CharBuffer 使用了建造者設計模式，大部分方法都返回了當前對象，可使用鏈式調用往 Buffer 中寫入數據。

buf.put('A').put('B').put('C').put('D').put('E').put('F').put('G');

每寫入一個 char 數據，position 就移動 1 位。

3.2 flip() 將寫模式切換到讀模式

flip() 可以將 Buffer 從寫入模式切換成讀取模式，它的原理很簡單，就是將 limit 移動到了 position 所指位置，將 position 移到了 0 位置。

buf.flip();

buf 內部結構的變化以下圖所示。

3.3 get() 讀取數據

get() 方法可以讀取 Buffer 中的數據，它將 position 所指的元素返回，而後 position 移動 1 個位置，指向下一個應該返回的元素。get() 由於要返回元素，因此它不支持鏈式調用。

System.out.println(buf.get()); // 輸出：A
System.out.println(buf.get()); // 輸出：B
System.out.println(buf.get()); // 輸出：C

3.4 mark() / reset() / rewind()

mark() 將記錄當前 positon 的位置，reset() 方法須要配合 mark() 使用。調用 mark() 方法的時候，position 將賦值給 mark 屬性；能夠繼續讀取，position 往前移動；調用 reset() 以後，position 會從新回退到 mark 位置。

buf.mark();
System.out.println(buf.get()); // 輸出：D
buf.reset();

mark() 配合 reset() 容許從新讀取部分元素，rewind() 容許從新讀取所有元素。rewind() 方法直接讓 position 指向 0 位置，而後將 mark 清除。

3.5 compact()

想象這樣一個場景：某個 Buffer 中存儲了一條半消息，剩下半條消息的數據尚未所有傳輸過來；此時須要讓 Buffer 切換到讀取模式，讀取第 1 條消息，讓後讓剩下的半條消息的數據留在 Buffer 中。compact() 能夠很好地處理這樣地場景。

compact() 能夠將一個未讀取完的 Buffer 切換到寫模式。它的具體作法是將 [position, limit) 範圍內的數據複製到 [0, limit-position)，而後 position = limit - position, limit = capacity。此時又能夠往 Buffer 中寫數據而不會影響未讀取的數據了。

buf.compact();
System.out.println(Arrays.toString(buf.array())); // 輸出：[D, E, F, G, E, F, G, , , ]

須要注意的是，compact() 僅僅是複製了數據，而並無將數組中的其它元素設置爲零值，以下圖所示。

3.6 clear()

clear() 方法能夠認爲是將 Buffer 重置了，將 Buffer 切換到了寫模式。實際上它只是將 position, limit 的值重置了，position=0, limit = capacity。

4. 小結

Buffer 是一個緩衝數據的容器，其內部結構是一個固定長度的數組，支持 7 種數據的存取。

Buffer 是非線程安全的，多線程併發訪問一個 Buffer 時應該進行同步。

Buffer 有讀取和寫入兩種模式，剛建立時處於寫入模式，模式之間能夠進行切換。其模式切換關係以下圖所示。

須要明確的是，通常狀況下，Buffer 中並無明確限制讀取模式中 Buffer 只能讀取，寫入模式中只能寫入。例如一個剛建立的 buf 也能夠直接調用 get() 方法。不過按照這種模式的限制操做一個 Buffer 不容易使數據出錯。另外，Buffer 中也提供了 asReadOnlyBuffer() 方法來基於原 Buffer 建立一個新的只讀 Buffer。