NIO详解（五）：Buffer详解

小咪咪 2022-01-29 00:51 575阅读 0赞

# 1. 概述 #

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。

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ByteBuffer是NIO里用得最多的Buffer，它包含两个实现方式：HeapByteBuffer是基于Java堆的实现，而DirectByteBuffer则使用了unsafe的API进行了堆外的实现。这里只说HeapByteBuffer。ByteBufer实现本质上就是一个字节数组，用来缓存字节数据。

# 2. Buffer的基本用法 #

使用Buffer读写数据一般遵循以下二个步骤：

> 1.  写入数据到Buffer之前，调用flip()方法
> 2.  从Buffer中读取数据之前，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。

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
    
    //create buffer with capacity of 48 bytes
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    
    int bytesRead = 0; //read into buffer.
    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
    }
    aFile.close();

# 3. ByteBuffer的结构 #

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

>  *  capacity
>  *  position
>  *  limit

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## 3.1 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。

## 3.2 Position ##

WriteMode: 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.

ReadMode: 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。

## 3.3 Limit ##

WrietMode: 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。

ReadMode: 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）

## 3.4 mark ##

为某一读过的位置做标记，便于某些时候回退到该位置。

一个临时存放的位置下标。调用mark()会将mark设为当前的position的值，以后调用reset()会将position属性设置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值，如果将position的值设的比mark小，当前的mark值会被抛弃掉。

# 4. Buffer的类型 #

Java NIO 有以下Buffer类型

>  *  ByteBuffer: 字节缓冲区
>  *  MappedByteBuffer:内存映射缓存区
>  *  ShortBuffer:短整形缓冲区
>  *  DoubleBuffer:双精度浮点型缓冲区
>  *  FloatBuffer: 浮点型缓冲区
>  *  IntBuffer:整形缓冲区
>  *  LongBuffer:长整形缓冲区
>  *  ShortBuffer:短整形缓冲区

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

# 5. Buffer的创建和读写 #

## 5.1 ByteBuffer的创建 ##

ByteBuffer定义了4个static方法来做创建工作：

> 1.  ByteBuffer allocate(int capacity) //创建一个指定capacity的ByteBuffer。
> 2.  ByteBuffer allocateDirect(int capacity) //创建一个direct的ByteBuffer，这样的ByteBuffer在参与IO操作时性能会更好
> 3.  ByteBuffer wrap(byte \[\] array) //把一个byte数组包装成ByteBuffer
> 4.  ByteBuffer wrap(byte \[\] array, int offset, int length) //把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer。

## 5.2 向ByteBuffer中写数据 ##

写数据到Buffer有两种方式：

> 1.  从Channel写到Buffer。

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

> 1.  通过put方法写Buffer的例子：put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如， 写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。

ByteBuffer put(byte b)
    ByteBuffer put(byte [] src)
    ByteBuffer put(int index, byte b)

向ByteBuffer写数据之前需要先进行clear()或者compact()方法。清空一部分ByteBuffer中的数据。

## 5.3 从ByteBuffer中读数据 ##

从Buffer中读取数据有两种方式：

> 1.  从Buffer读取数据到Channel。

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

> 1.  使用get()方法从Buffer中读取数据的例子。get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。

byte get()
    ByteBuffer get(byte [] dst)
    byte get(int index)

从ByteBuffer中读取数据之前需要进行flip()方法。将limit设置为position，position设置为0。

## 5.4 ByteBuffer基础上得到其它类型的buffer ##

CharBuffer asCharBuffer()为当前的ByteBuffer创建一个CharBuffer的视图。在该视图buffer中的读写操作会按照ByteBuffer的字节序作用到ByteBuffer中的数据上。

用这类方法创建出来的buffer会从ByteBuffer的position位置开始到limit位置结束，可以看作是这段数据的视图。视图buffer的readOnly属性和direct属性与ByteBuffer的一致，而且也只有通过这种方法，才可以得到其他数据类型的direct buffer。

# 6. ByteBuffer的其他方法 #

## 6.1 rewind()方法 ##

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

## 6.2 clear()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。

## 6.3 compact()方法 ##

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。

## 6.4 mark()方法和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.

## 6.5 equals()方法 ##

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

> 1.  有相同的类型（byte、char、int等）。
> 2.  Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
> 3.  Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。  
>     如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

## 6.6 compareTo()方法 ##

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

> 1.  第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素 。
> 2.  所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

## 6.7 flip()方法 ##

在写模式下调用flip方法，那么limit就设置为了position当前的值(即当前写了多少数据),postion会被置为0，以表示读操作从缓存的头开始读。也就是说调用flip之后，读写指针指到缓存头部，并且设置了最多只能读出之前写入的数据长度(而不是整个缓存的容量大小)。

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