Java NIO系列教程(三) Buffer

时间:2021-10-03 09:07:46

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。交互图如下:

Java NIO系列教程(三) Buffer

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。缓冲区实际上是一个容器对象,更直接的说,其实就是一个数组,在NIO库中,所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时,它也是写入到缓冲区中的;任何时候访问 NIO 中的数据,都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中,所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。

在NIO中,所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer,最常用的就是ByteBuffer,对于Java中的基本类型,基本都有一个具体Buffer类型与之相对应,它们之间的继承关系如下图所示:

Java NIO系列教程(三) Buffer

下面是NIO Buffer相关的话题列表:

  1. Buffer的基本用法
  2. Buffer的capacity,position和limit
  3. Buffer的类型
  4. Buffer的分配
  5. 向Buffer中写数据
  6. flip()方法
  7. 从Buffer中读取数据
  8. clear()与compact()方法
  9. mark()与reset()方法
  10. equals()与compareTo()方法

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
  2. 调用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。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。

下面是一个使用Buffer的例子:

01 RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt""rw");
02 FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
03  
04 //create buffer with capacity of 48 bytes
05 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
06  
07 int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
08 while (bytesRead != -1) {
09  
10   buf.flip();  //make buffer ready for read
11  
12   while(buf.hasRemaining()){
13       System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
14   }
15  
16   buf.clear(); //make buffer ready for writing
17   bytesRead = inChannel.read(buf);
18 }
19 aFile.close();

示例2:

下面是一个简单的使用IntBuffer的例子:

Java NIO系列教程(三) Buffer
package com.dxz.nio;

import java.nio.IntBuffer;

public class TestIntBuffer {
public static void main(String[] args) {
// 分配新的int缓冲区,参数为缓冲区容量
// 新缓冲区的当前位置将为零,其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组,其数组偏移量将为零。
IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8); for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
int j = 2 * (i + 1);
// 将给定整数写入此缓冲区的当前位置,当前位置递增
buffer.put(j);
} // 重设此缓冲区,将限制设置为当前位置,然后将当前位置设置为0
buffer.flip(); // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素
while (buffer.hasRemaining()) {
// 读取此缓冲区当前位置的整数,然后当前位置递增
int j = buffer.get();
System.out.print(j + " ");
} } }
Java NIO系列教程(三) Buffer

结果:

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Buffer的capacity,position和limit

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。

为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性:

  • capacity
  • position
  • limit

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。

这里有一个关于capacity,position和limit在读写模式中的说明,详细的解释在插图后面。

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。

position

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.

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。

limit

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。

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)

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型

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

p<>
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。

MappedByteBuffer 有些特别,在涉及它的专门章节中再讲。

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48字节capacity的ByteBuffer的例子。

1 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer:

1 CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式:

  • 从Channel写到Buffer。
  • 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

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

通过put方法写Buffer的例子:

1 buf.put(127);

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。 更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip英 [flɪp] 美 [flɪp] 及物动词 轻弹,轻击; 按(开关); 快速翻转; 急挥

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。

换句话说,position现在用于标记读的位置,limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式:

  1. 从Buffer读取数据到Channel。
  2. 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子:

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

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();

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。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

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)。

clear()与compact()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。

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。

mark()与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:

1 buffer.mark();
2  
3 //call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
4  
5 buffer.reset();  //set position back to mark.

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

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。

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)。

缓冲区分片

  在NIO中,除了可以分配或者包装一个缓冲区对象外,还可以根据现有的缓冲区对象来创建一个子缓冲区,即在现有缓冲区上切出一片来作为一个新的缓冲区,但现有的缓冲区与创建的子缓冲区在底层数组层面上是数据共享的,也就是说,子缓冲区相当于是现有缓冲区的一个视图窗口。调用slice()方法可以创建一个子缓冲区,让我们通过例子来看一下:

Java NIO系列教程(三) Buffer
package com.dxz.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferDemo1 {
static public void main(String args[]) throws Exception {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); // 缓冲区中的数据0-9
for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
buffer.put((byte) i);
} // 创建子缓冲区
buffer.position(3);
buffer.limit(7);
ByteBuffer slice = buffer.slice(); // 改变子缓冲区的内容
for (int i = 0; i < slice.capacity(); ++i) {
byte b = slice.get(i);
b *= 10;
slice.put(i, b);
} buffer.position(0);
buffer.limit(buffer.capacity()); while (buffer.remaining() > 0) {
System.out.println(buffer.get());
}
}
}
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结果:

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只读缓冲区

只读缓冲区非常简单,可以读取它们,但是不能向它们写入数据。可以通过调用缓冲区的asReadOnlyBuffer()方法,将任何常规缓冲区转 换为只读缓冲区,这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区,并与原缓冲区共享数据,只不过它是只读的。如果原缓冲区的内容发生了变化,只读缓冲区的内容也随之发生变化:

Java NIO系列教程(三) Buffer
package com.dxz.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferDemo2 {
static public void main(String args[]) throws Exception {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); // 缓冲区中的数据0-9
for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
buffer.put((byte) i);
} // 创建只读缓冲区
ByteBuffer readonly = buffer.asReadOnlyBuffer(); // 改变原缓冲区的内容
for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
byte b = buffer.get(i);
b *= 10;
buffer.put(i, b);
} readonly.position(0);
readonly.limit(buffer.capacity()); // 只读缓冲区的内容也随之改变
while (readonly.remaining() > 0) {
System.out.println(readonly.get());
}
}
}
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  如果尝试修改只读缓冲区的内容,则会报ReadOnlyBufferException异常。只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个 对象的方法时,无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以保证该缓冲区不会被修改。只可以把常规缓冲区转换为只读缓冲区,而不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。

直接缓冲区

  直接缓冲区是为加快I/O速度,使用一种特殊方式为其分配内存的缓冲区,JDK文档中的描述为:给定一个直接字节缓冲区,Java虚拟机将尽最大努 力直接对它执行本机I/O操作。也就是说,它会在每一次调用底层操作系统的本机I/O操作之前(或之后),尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中 或者从一个中间缓冲区中拷贝数据。要分配直接缓冲区,需要调用allocateDirect()方法,而不是allocate()方法,使用方式与普通缓冲区并无区别,如下面的拷贝文件示例:

Java NIO系列教程(三) Buffer
package com.dxz.nio;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*; public class BufferDemo3 {
static public void main(String args[]) throws Exception {
String infile = "e:\\logs\\test.txt";
FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
FileChannel fcin = fin.getChannel(); String outfile = String.format("e:\\logs\\testcopy.txt");
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
FileChannel fcout = fout.getChannel(); // 使用allocateDirect,而不是allocate
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); while (true) {
buffer.clear();
int r = fcin.read(buffer);
if (r == -1) {
break;
}
buffer.flip();
fcout.write(buffer);
}
}
}
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内存映射文件I/O

  内存映射文件I/O是一种读和写文件数据的方法,它可以比常规的基于流或者基于通道的I/O快的多。内存映射文件I/O是通过使文件中的数据出现为 内存数组的内容来完成的,这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中,但是事实上并不是这样。一般来说,只有文件中实际读取或者写入的部分才会映射到内存中。如下面的示例代码:

Java NIO系列教程(三) Buffer
package com.dxz.nio;

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.*; public class BufferDemo4 {
static private final int start = 0;
static private final int size = 1024; static public void main(String args[]) throws Exception {
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("e:\\logs\\test.txt", "rw");
FileChannel fc = raf.getChannel(); MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, start, size); mbb.put(0, (byte) 97);
mbb.put(1023, (byte) 122); raf.close();
}
}
Java NIO系列教程(三) Buffer

参考:http://blog.csdn.net/wuxianglong/article/details/6612263

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