Java NIO系列(二) - Buffer

时间：2022-09-01 03:59:54

前言

在Java NIO中，缓冲区用来临时存储数据，可以理解为是I/O操作中数据暂存的中转站。缓冲区直接为通道(Channel)服务，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，用来方便的访问这块内存。

正文

Buffer的类型

Java NIO提供以下几种Buffer类型：

Java NIO系列(二) - Buffer

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

这些Buffer类型代表了Java中7种基本数据类型。换句话说，就是可以通过byte、char、short、int、long、float或double类型来操作缓冲区中的数据。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

  1. 写入数据到Buffer中；
  2. 调用Buffer的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。两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。

  • clear()方法：清空整个缓冲区，包括已读和未读的数据。

  • compact()方法：只会清空已读的数据，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。

下面给出一个ByteBuffer的简单使用示例，其他缓冲区API的使用类似：

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public static void testReadFromBuffer() {
 try {
 RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("D://test.txt", "rw");
 FileChannel fileChannel = file.getChannel();
 //创建容量为10byte的buffer
 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
 // 不断地写入缓冲区，写一次读一次
 while (fileChannel.read(byteBuffer) != -1) {
 // 设置buffer切换模式为读模式
 byteBuffer.flip();
 while (byteBuffer.hasRemaining()) {
 // 每次读取1byte，也就是一个字节
 System.out.print((char) byteBuffer.get());
 }
 // 清空整个缓存区，准备下次写入
 byteBuffer.clear();
 }
 fileChannel.close();
 } catch (FileNotFoundException e) {
 e.printStackTrace();
 } catch (IOException e) {
 e.printStackTrace();
 }
}

Buffer的重要属性

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的4个核心属性：

属性 含义 具体描述
capacity 容量 缓冲区可以容纳的最大数据量，在缓冲区创建时被设定并且不能改变
limit 上界 缓冲区中当前已使用的数据量
position 位置 缓冲区下一个要被读或写的元素的索引
mark 标记 调用mark()来设置mark=position，再调用reset()可以让position恢复到标记的位置即position=mark

其中，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。

Java NIO系列(二) - Buffer

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫capacity。你最多只能写入capacity个的byte、char、int、long等类型数据。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续往里写数据。

position

  • 写入数据时：

当你写数据到Buffer中时，position表示下一个可写入的数据的位置。position的初始位置为0，当一个byte、char、int、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。

  • 读取数据时：

当从Buffer读取数据时，position表示下一个可读取的数据的位置。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

  • 写入数据时：

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，也就是内存块的最大容量。

  • 写入数据时：

当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值，limit表示你最多能读到多少数据。limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position。

Buffer的方法

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10字节capacity的ByteBuffer的例子：

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ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

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CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中写入数据

写数据到Buffer有两种方式：

  • 从Channel将数据写入Buffer。
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int bytesRead = channel.read(buffer);
  • 通过Buffer的put()方法写到Buffer中。
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buffer.put(1);

put()在ByteBuffer中为抽象方法，在ByteBuffer有很多的重载，由其子类HeapByteBuffer和DirectByteBuffer实现。

写模式切换为读模式

flip()方法将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。

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buffer.flip();

查看flip()方法的源码确认：

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

从Buffer从读取数据

从Buffer中读取数据也有两种方式：

  • 从Buffer读取数据到Channel中。
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int bytesWritten = channel.write(buf);
  • 通过Buffer的get()方法从Buffer中读取数据。
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byte b = buffer.get();

get()方法和put()一样有很多的重载，允许以不同的方式从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。

clear()和compact()方法

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

clear()方法

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成capacity的值。

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buffer.clear();

查看clear()方法的源码确认：

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

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。

compact()方法

如果调用的是compact()方法，所有的未读数据都将被拷贝到Buffer的起始位置，position会设置为最后一个未读元素的后面。limit()方法和clear()方法一样，会被设置为capacity的大小。

查看compact()方法的实现，此方法在ByteBuffer中为抽象方法，查看其子类HeapByteBuffer的实现：

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public ByteBuffer compact() {
 // 将未读的数据往前移动
 System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
 // 设置postion为最后一个未读数据后面的位置
 position(remaining());
 // 设置limit为最大的容量
 limit(capacity());
 // 清除标记位
 discardMark();
 return this;
}

现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

mark()与reset()方法

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

mark()方法

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buffer.mark();

查看mark()方法的源码，mark变量被设置为position的值：

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public final Buffer mark() {
 mark = position;
 return this;
}

reset()方法

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buffer.reset();

查看mark()方法的源码，position变量被设置为之前的mark的值：

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public final Buffer reset() {
 int m = mark;
 if (m < 0)
 throw new InvalidMarkException();
 position = m;
 return this;
}

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个Buffer。

equals()方法

当同时满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

  1. 有相同的类型(byte、char、int和long类型等)。
  2. Buffer中剩余的byte、char等元素的个数相等。
  3. Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

equals()方法比较的实际是Buffer中的剩余元素是否相等。它只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)。
当满足下列条件时，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)。

总结

这里只是对Buffer进行了入门的介绍，具体深入学习还需要查看各种缓冲区以及相关的具体实现。

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