引言

JDK 1.4 之后引入了NIO（New IO或 Non Blocking IO），我覺的可以稱其為New IO，因為NIO基本重寫所有標準IO的API，完全可以替代標準的Java IO API。并且NIO支持面向緩沖區(qū)(Buffer)的、基于通道(Channel)的IO操作，可以以更加高效的方式進行文件的讀寫操作。

NIO的核心主要包括3部分

• Buffer 緩沖區(qū)
• Channel 通道
  • 文件通道
  • Socket通道
• Selector 選擇器

本篇文章會對NIOBuffer緩沖區(qū)的使用及實現(xiàn)原理做分析

體系

Java NIO 提供了以下幾種Buffer類型可供使用

1. ByteBuffer
2. MappedByteBuffer
3. CharBuffer
4. DoubleBuffer
5. FloatBuffer
6. IntBuffer
7. LongBuffer
8. ShortBuffer

這些Buffer的名字已經(jīng)非常清晰的指明了這些Buffer所各自承載的不同數(shù)據(jù)類型

下面的分析我都將以ByteBuffer為例子

基本使用

ByteBuffer的使用比較簡單，但若不理解其內(nèi)部實現(xiàn)原理，也非常容易搞混。我們先來介紹其簡單的使用

創(chuàng)建緩沖區(qū)

創(chuàng)建緩沖區(qū)主要有兩種常用方式

• allocate 開辟指定大小的緩沖區(qū)
• wrap 使用字節(jié)數(shù)組開辟新的緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)的修改將導(dǎo)致數(shù)組被修改。新緩沖區(qū)的容量（position）和限制（limit）將為該數(shù)組的長度

// 通過 allocate 創(chuàng)建
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

// 通過 wrap 創(chuàng)建
byte [] buf = new byte[1024];
ByteBuffer.wrap(buf);

讀寫數(shù)據(jù)

使用ByteBuffer讀寫數(shù)據(jù)比較簡單

寫數(shù)據(jù)

往Buffer中寫數(shù)據(jù)只需要調(diào)用put方法，該方法有多個重載，可以以不同的方式寫數(shù)據(jù)
這里只列舉3個

• put(byte b) 在當前位置將給定字節(jié)寫入此緩沖區(qū)
• put(int i， byte b) 在指定位置將給定字節(jié)寫入此緩沖區(qū)
• put(byte[] src, int offset, int length) 將字節(jié)從給定源數(shù)組傳輸?shù)酱司彌_區(qū)。如果從數(shù)組復(fù)制的字節(jié)比數(shù)大于剩余的緩沖區(qū)容量，會拋出BufferOverflowException異常

讀數(shù)據(jù)

從Buffer中讀取數(shù)據(jù)只需要調(diào)用get方法，該方法同樣有多個重載，可以以不同的方式讀數(shù)據(jù)

• get() 獲取當前位置的單個字節(jié)
• get(int i) 獲取指定位置的單個字節(jié)
• get(byte[] dst, int offset, int length) 從此緩沖區(qū)中獲取字節(jié)并傳輸?shù)浇o定的目標數(shù)組中，如果緩沖區(qū)中的剩余字節(jié)少于滿足請求所需的字節(jié)數(shù)，會拋出BufferUnderflowException異常

下面是一個拋出BufferUnderflowException的例子

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
String s =  "hello";
byteBuffer.put(s.getBytes());
byteBuffer.flip(); // 翻轉(zhuǎn) 下文會提到
byte [] bufs = new byte[9]; // 緩沖區(qū)實際只有5個字節(jié)大小，大于此大小就會拋出異常
byteBuffer.get(bufs); // 拋出異常

flip 方法

上文拋出BufferUnderflowException的例子，不知道大家有沒發(fā)現(xiàn)，我們的代碼在讀寫轉(zhuǎn)換時用了flip方法來進行讀寫操作的轉(zhuǎn)換，緩沖區(qū)在進行讀寫轉(zhuǎn)換的時候必須調(diào)用flip方法，那么為何要這么做呢？下面我將會對flip方法的內(nèi)部實現(xiàn)原理進行分析，在分析之前，我們有必要先認識一下Buffer的capacity position limit mark四個變量屬性

• capacity 表示緩沖區(qū)的容量，大小不可變且不可為負
• position 下一個要讀取或?qū)懭氲脑氐奈恢盟饕?/li>
• limit 下一個不應(yīng)該被讀取或?qū)懭氲脑氐奈恢盟饕?/li>
• mark 標記位，可以通過這個標記位返回此位置

四者的大小關(guān)系 mark <= position <= limit <= capacity

知道了這四個變量的含義之后，我們再來根據(jù)例子來看看一步一步往下分析吧

一. 首先，我們通過ByteBuffer.allocate(6)開辟一個大小為6的緩沖區(qū)

// 通過allocate 開辟緩沖區(qū)
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

// HeapByteBuffer 初始化
HeapByteBuffer(int cap, int lim) {            // package-private
      // 這里前四個參數(shù)依次是 mark position limit capacity
    super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}

通過查看allocate方法的源碼，可知其內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)如下圖(Buffer內(nèi)部其實是數(shù)組實現(xiàn)，下標從0開始)

• mark = -1
• position = 0
• limit = capacity = 6

image.png

二. 然后我們現(xiàn)在通過put方法加入1個字節(jié)數(shù)據(jù)
此時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖

• mark = -1
• position = 1
• limit = capacity = 6

image.png

三. 加一個太少了，我們再添加3個字節(jié)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)中
此時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖

• mark = -1
• position = 4
• limit = capacity = 6

image.png

四. 現(xiàn)在數(shù)據(jù)已經(jīng)全部加完了，我們準備讀數(shù)據(jù)了，必須要調(diào)用flip方法
先來看看flip方法的內(nèi)部實現(xiàn)

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

flip內(nèi)部其實是將 position的值賦給了limit，并將position位置歸0，如下圖顯示

image.png

五. 成功翻轉(zhuǎn)之后，就可以往外讀數(shù)據(jù)了，假設(shè)往外讀4個數(shù)據(jù)
此時內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖，并且 position = limit了，達到了最大可讀字節(jié)數(shù)

• mark = -1
• position = 4
• limit = 4

• capacity = 6

  
  
  image.png

通過上面這個例子，對flip方法的翻轉(zhuǎn)邏輯已經(jīng)進行了非常詳細的分析，并且可以得出結(jié)論capacity的是絕對不變的，不會隨著讀寫操作而改變。mark變量的值會在下文reset mark 方法中用到

reset mark 方法

顧名思義，mark就是打標記的意思，reset表示重置的意思。這兩個操做是緊密聯(lián)系的，由mark()方法在當前position位置做標記，然后在需要重置到標記位置的時候，調(diào)用reset方法重置

看一下這兩個方法的內(nèi)部實現(xiàn)

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

方法的內(nèi)部實現(xiàn)非常簡單，通過對變量mark的編輯來標記當前位置，在需要重置的時候，把變量mark的值賦給當前下標索引position來達到重置的目的。

clear

clear方法比較簡單，將position = 0，limit = capacity，mark = -1。有點類似初始化時的操作

compact

最后再來介紹一下compact方法，首先我們先來看一個場景

  while (in.read(buf) >= 0 || buf.position != 0) {
     buf.flip();
     out.write(buf);
     buf.clear();
 }

上面這個例子，在非阻塞模式下是會有問題的，因為write方法我們并不知道一次性可以寫多少個字節(jié)，所以有可能還有未寫入的字節(jié)數(shù)據(jù)，這時候我們卻又重新讀取了新的數(shù)據(jù)，就會導(dǎo)致覆蓋了原有還未寫入的數(shù)據(jù)。

只需要改成以下的方式即可，該方法的作用是將position與limit之間的數(shù)據(jù)復(fù)制到buffer的開始位置，復(fù)制后position = limit -position,limit = capacity

  while (in.read(buf) >= 0 || buf.position != 0) {
     buf.flip();
     out.write(buf);
     buf.compact();
 }

總結(jié)

本編文章比較詳細的分析了Java NIOBuffer的基本使用及內(nèi)部實現(xiàn)原理。Buffer的內(nèi)部實現(xiàn)其實比較簡單，需要著重理解的其實就是capacity position limit mark這四個變量屬性。

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