Java NIO - Buffer

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結構

Buffer是「緩衝區」的意思。在Java NIO中，全部的數據都要通過Buffer，下圖是Buffer內部的基本結構。

它其實就是一個數組，裏面有三個指針：position, limit, capacity。

capacity

capacity爲這個數組的容量，是不可變的。

limit

limit是Buffer中第一個不可讀寫的元素的下標，也即limit後的數據不可進行讀寫。limit不能爲負，也不能大於capacity。

limit初始的時候是與capacity值是同樣的。

position

position表示下一個元素即將讀或者寫的下標。position不能爲負也不能大於limit。position初始的時候爲0。

類關係

Buffer是一個抽象類，它有許多子抽象類，對應7種Java的基本類型（除了boolean）。以下圖：

以ByteBuffer爲例，它有兩種實現，一種是HeapByteBuffer，另外一種是DirectByteBuffer，分別對應堆內存和直接內存。

堆內存會把這個對象分配在JVM堆裏，就跟普通對象同樣。而直接內存又被稱爲堆外內存，在使用IO的時候，咱們更推薦使用直接內存。

爲何推薦使用直接內存呢？其實這跟JVM的垃圾回收機制有關。IO每每會佔用一個比較大的內存空間，若是分配到JVM堆裏面，會被認爲是一個大對象，影響JVM垃圾回收效率。

堆外內存若是滿了（達到系統內存的界限），也會拋出OOM異常。

初始化

Buffer有什麼用？Buffer通常是與Channel配合起來用，Channel讀數據的時候，會先讀到Buffer裏，寫數據的時候，也會先寫到Buffer裏。

下面介紹一下具體是怎麼使用Buffer的。

通常來講，是直接使用第二級類，好比ByteBuffer。它們有兩個工廠方法allocate和allocateDirect，用於初始化和申請內存。前面提到了在操做IO時，一般使用直接內存，因此通常是這樣初始化：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
複製代碼

能夠用isDirect()方法來判斷當前Buffer對象是否使用了直接內存。

寫數據

往Buffer中寫數據主要有兩種方式：

• 從Channel寫到Buffer
• 從數組寫到Buffer

從Channel寫到Buffer用的是Channel的read(Buffer buffer)方法，而從數組寫到Buffer，主要用的是Buffer的put方法。

// 獲取Channel裏面的數據並寫到buffer
// 返回的是讀的位置，也就是buffer的position
int readBytes = socketChannel.read(buffer);

// 從byte數組寫到Buffer
buffer.put("hi, 這是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
複製代碼

咱們假設Buffer申請了1024字節，這個字符串佔用16字節，那寫入數據之後三個指針就是這樣的：

• position = 16
• limit = 1024
• capacity = 1024

切換模式

Buffer分爲讀模式和寫模式，能夠經過flip()方法轉換模式。事實上，查看這個方法源碼，發現flip方法也只是對三個指針進行了操做而已。

public Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}
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mark指針用於reset()方法，若是reset()方法被調用，position就會被重置到mark位置。若是mark沒有被定義，調用reset()方法會拋出InvalidMarkException異常。一旦mark被定義，就必定不能爲負數，而且小於等於position的位置。

mark()方法的做用至關於能夠「暫時記錄position」的位置，這樣之後能夠經過reset()方法回到這個位置。

切換模式後，三個指針變成了這樣：

• position = 0
• limit = 16
• capacity = 1024

讀數據

與寫數據對應，讀數據也有兩種方式：

• 從Buffer讀到Channel
• 從Buffer讀到數組

讀數據會從position讀到limit的位置。

示例代碼：

// 讀取buffer的數據並寫入channel
socketChannel.write(buffer);

// 把buffer裏面的數據讀到byte數組
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(bytes);
String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
複製代碼

這裏用到了Buffer的remaining()方法。這個方法是告訴咱們須要讀多少字節，方法源碼：

public final int remaining() {
    return limit - position;
}
複製代碼

清空

通常來講，一個Channel用一個Buffer，但Buffer能夠重複使用，尤爲是對於一些比較大的IO傳輸內容來講（好比文件），clear()與compact()方法能夠重置Buffer。它們有一些微小的區別。

對於clear方法來講，position將被設回0，limit被設置成 capacity的值。

compact方法將全部未讀的數據拷貝到Buffer起始處。而後將position設到最後一個未讀元素後面一位。limit屬性依然像clear方法同樣，設置成capacity。如今Buffer準備好寫數據了，可是不會覆蓋未讀的數據。

通常來講，用clear方法的場景會多一點。

源碼：

public Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

public ByteBuffer compact() {
    int pos = position();
    int lim = limit();
    assert (pos <= lim);
    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
    try {
        UNSAFE.copyMemory(ix(pos), ix(0), (long)rem << 0);
    } finally {
        Reference.reachabilityFence(this);
    }
    position(rem);
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;
}
複製代碼

Buffer還有其它一些操做那三個指針的方法，不過使用頻率沒有上述方法高，因此本文不作詳細介紹，感興趣的讀者能夠去看一下源碼。

使用

這裏貼一下讀和寫的使用的案例代碼：

從字符串到Channel：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 從字符串寫到Buffer
buffer.put("hi, 這是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
buffer.flip(); // 轉換模式
// 從Buffer寫到Channel
socketChannel.write(buffer);
複製代碼

從Channel到字符串：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 從Channel寫到Buffer
int readBytes = socketChannel.read(buffer);
if (readBytes > 0) {
    buffer.flip(); // 轉換模式
    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    // 從Buffer寫到字節數組
    buffer.get(bytes);
    String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("server 收到：" + body);
}
複製代碼

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完整示例代碼