缓冲区 Buffer

缓冲区就是数组，用于存储不同类型的数据，最常用的是ByteBuffer，因为所有数据都是字节类型的。
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常见的缓冲区类型：

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

缓冲区基本用法

  • allocate() 分区缓冲区
  • get() 获取数据
  • put() 放置数据
  • flip() 切换到读数据模式
  • mark() 记录position的位置
  • reset() 恢复position上一个的位置
  • clear() 清空缓冲区

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：

  1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
  2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
  3. //创建容量为48byte的buffer
  4. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
  5. int bytesRead = inChannel.read(buf); //读取数据，放入buffer
  6. while (bytesRead != -1) {
  7.   buf.flip();  //设置buffer切换模式为读模式
  8.   while(buf.hasRemaining()){
  9.       System.out.print((char) buf.get()); // 每次读取1byte，也就是一个字节
  10.   }
  11.   buf.clear(); //清空buffer，准备再次写入
  12.   bytesRead = inChannel.read(buf);
  13. }
  14. aFile.close();

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 容量
  • position 位置
  • limit 限制

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。
缓冲区 Buffer - 图2

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

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

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：

  1. 从Channel写到Buffer。
  2. 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：

  1. //从buffer中读取数据到channel.
  2. int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

  1. 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. //调用几次buffer.get()方法。例如在解析过程中
  3. buffer.reset();  //设置position恢复到标记的位置.

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个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)。

（译注：剩余元素是从 position到limit之间的元素）。

  1. //分配内存
  2. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  3. //直接分配内存（物理内存）
  4. ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
  6. // Invariants: 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
  7. //    private int mark = -1; 标记，记录当前position位置，reset()可以恢复到上一个位置
  8. //    private int position = 0; 位置，缓冲区正在操作的数据的位置
  9. //    private int limit; 界限，缓冲区可以操作数据的大小，limit后的数据不可操作。
  10. //    private int capacity; 容量，缓冲区最大存储数据容量，一旦声明不可改变。
  13. System.out.println("刚创建："+buffer);
  14. String str = "hello";
  15. buffer.put(str.getBytes());
  16. System.out.println("放入数据hello："+buffer);
  18. //切换到读数据模式
  19. //limit = position;
  20. //position = 0;
  21. //mark = -1;
  22. buffer.flip();
  23. System.out.println("flip之后："+buffer);
  25. byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
  26. buffer.get(bytes);
  27. System.out.println(new String(bytes));
  28. System.out.println("读取之后："+buffer);
  30. //可重复读
  31. //position = 0;
  32. //mark = -1;
  33. buffer.rewind();
  35. System.out.println("rewind之后"+buffer);
  36. byte[] bytes1 = new byte[buffer.limit()-1];
  37. buffer.get(bytes1);
  38. System.out.println(new String(bytes1));
  39. System.out.println("读取之后："+buffer);
  41. //清空缓冲区
  42. //        position = 0;
  43. //        limit = capacity;
  44. //        mark = -1;
  45. buffer.clear();
  46. System.out.println("清空缓冲区clear："+buffer);
  50. ////输出如下：
  52. 刚创建：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]
  53. 放入数据hello：java.nio.HeapByteBuffer[pos=5 lim=1024 cap=1024]
  54. flip之后：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=1024]
  55. hello
  56. 读取之后：java.nio.HeapByteBuffer[pos=5 lim=5 cap=1024]
  57. rewind之后java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=1024]
  58. hell
  59. 读取之后：java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=5 cap=1024]
  60. 清空缓冲区clear：java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]

直接缓冲区和非直接缓冲区

  • 直接缓冲区就是操作系统控制的内存
  • 非直接缓冲区就是jvm控制的内存

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