Java NIO中的缓冲区Buffer缓冲区基础

Posted 2020-09-01

什么是缓冲区（Buffer）

定义

简单地说就是一块存储区域，哈哈哈，可能太简单了，或者可以换种说法，从代码的角度来讲（可以查看JDK中Buffer、ByteBuffer、DoubleBuffer等的源码），Buffer类内部其实就是一个基本数据类型的数组，以及对这个缓冲数组的各种操作；

常见的缓冲区如ByteBuffer、IntBuffer、DoubleBuffer...内部对应的数组依次是byte、int、double...

与通道的关系

在Java NIO中，缓冲区主要是跟通道（Channel）打交道，数据总是从缓冲区写入到通道中，或者从通道读取数据到缓冲区；

继承结构

关于Buffer的继承结构，我们可以简单的以ByteBuffer为例，如下：

Buffer是顶层抽象类，ByteBuffer继承Buffer，也是抽象类，ByteBuffer最常见的两个具体实现类如下：

DirectByteBuffer（JVM堆外部、通过unsafe.allocateMemory实现）、HeapByteBuffer（JVM堆）

缓冲区的四个属性（capacity、limit、position、mark）

容量（capacity）

capacity指的是缓冲区能够容纳元素的最大数量，这个值在缓冲区创建时被设定，而且不能够改变，如下，我们创建了一个最大容量为10的字节缓冲区；

ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(10);

上界（limit）

limit指的是缓冲区中第一个不能读写的元素的数组下标索引，也可以认为是缓冲区中实际元素的数量；

位置（position）

position指的是下一个要被读写的元素的数组下标索引，该值会随get()和put()的调用自动更新；

标记（mark）

一个备忘位置，调用mark()方法的话，mark值将存储当前position的值，等下次调用reset()方法时，会设定position的值为之前的标记值；

四个属性值之间的关系

根据以上四个属性的定义，我们可以总结出它们之间的关系如下：

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

举个例子，观察四个属性值的变化

 1、创建一个容量大小为10的字符缓冲区

ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(10);

此时：mark = -1; position = 0; limit = 10; capacity = 10;

2、往缓冲区中put()五个字节

bf.put((byte)\'H\').put((byte)\'e\').put((byte)\'l\').put((byte)\'l\').put((byte)\'0\');

注意这里一个字符是占用两个字节的，但是英文字符只占用一个字节，所以这样是可以实现储存效果的；

此时：mark = -1; position = 5; limit = 10; capacity = 10;

3、调用flip()方法，切换为读就绪状态

bf.flip();

此时：mark = -1; position = 0; limit = 5; capacity = 10;

 

 4、读取两个元素

System.out.println("" + (char) bf.get() + (char) bf.get());

 此时：mark = -1; position = 2; limit = 5; capacity = 10;

5、标记此时的position位置

bf.mark();

此时：mark = 2; position = 2; limit = 5; capacity = 10;

6、读取两个元素后，恢复到之前mark的位置处

System.out.println("" + (char) bf.get() + (char) bf.get());
bf.reset();

属性变化情况：

执行完第一行代码：mark = 2; position = 4; limit = 5; capacity = 10;

执行完第二行代码：mark = 2; position = 2; limit = 5; capacity = 10;

7、调用compact()方法，释放已读数据的空间，准备重新填充缓存区

bf.compact();

此时：mark = 2; position = 3; limit = 10; capacity = 10;

 注意观察数组中元素的变化，实际上进行了数组拷贝，抛弃了已读字节元素，保留了未读字节元素；

 缓冲区比较

其实查看equals源码就可以知道是如何比较的，如下（以ByteBuffer为例）：

public boolean equals(Object ob) {
        if (this == ob)
            return true;
        if (!(ob instanceof ByteBuffer))
            return false;
        ByteBuffer that = (ByteBuffer)ob;
        if (this.remaining() != that.remaining())
            return false;
        int p = this.position();
        for (int i = this.limit() - 1, j = that.limit() - 1; i >= p; i--, j--)
            if (!equals(this.get(i), that.get(j)))
                return false;
        return true;
    }

总的来说，两个缓冲区被认为相等的条件如下（以下内容直接摘自《Java NIO》）：

1. 两个对象类型相同。包含不同数据类型的 buffer 永远不会相等，而且 buffer绝不会等于非 buffer 对象。
2. 两个对象都剩余同样数量的元素。Buffer 的容量不需要相同，而且缓冲区中剩余数据的索引也不必相同。但每个缓冲区中剩余元素的数目（从位置到上界）必须相同。
3. 在每个缓冲区中应被 Get()方法返回的剩余数据元素序列必须一致。

批量读写缓冲区数据

以ByteBuffer为例，使用如下API即可：

public ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length)

public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length)

public ByteBuffer get(byte[] dst)

public final ByteBuffer put(byte[] src)

实际上，后面两种方法内部就是调用前面两种方法的；

参数的含义直接查看源码注释即可，写的很清楚，如put(byte[] src, int offset, int length)方法的注释:

    /* @param  src
     *         The array from which bytes are to be read
     *
     * @param  offset
     *         The offset within the array of the first byte to be read;
     *         must be non-negative and no larger than <tt>array.length</tt>
     *
     * @param  length
     *         The number of bytes to be read from the given array;
     *         must be non-negative and no larger than
     *         <tt>array.length - offset</tt>
     */

 参考资料

《Java NIO》