关于后端:Netty从0到1一NIO认识-ByteBuffer

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前言

本篇博文是《从 0 到 1 学习 Netty》系列的第一篇博文，次要内容是 介绍 NIO 的外围之一 Buffer 中的 ByteBuffer，往期系列文章请拜访博主的 Netty 专栏，博文中的所有代码全副收集在博主的 GitHub 仓库中；

什么是 Netty？

Netty 是一个高性能、异步事件驱动的网络应用程序框架，次要用于疾速开发可保护、可扩大的高性能服务器和客户端。Netty 提供了简略易用的 API，反对多种协定和传输方式，并且有着高度灵便的扩大和自定义能力。

Netty 的设计指标是提供一种易于应用、高效、可扩大的异步 IO 网络编程框架。它采纳了 NIO（Non-blocking IO）的形式来进行网络操作，防止了传统的阻塞式 IO 经常面临的性能瓶颈。同时，Netty 还提供了优良的线程模型和内存管理机制，保障了高并发下的稳定性和性能。

通过 Netty，开发者能够不便地实现基于 TCP、UDP、HTTP、WebSocket 等多种协定的通信利用。同时，Netty 还提供了编解码器、SSL 反对等组件，使得开发者能够更加专一于业务逻辑的实现。

什么是 ByteBuffer？

ByteBuffer 是 Java 中的一个类，它提供了一种不便的形式来解决原始字节数据。ByteBuffer 能够被看作是一个缓冲区，它能够包容肯定数量的字节数据，并提供了一系列办法来操作这些数据。

应用 ByteBuffer，能够轻松地读取和写入二进制数据。它还提供了对不同类型数据的反对，如整数、浮点数等。ByteBuffer 还反对对数据进行切片，以及对缓冲区中的数据进行复制、压缩、解压等操作。

在 Java 中，ByteBuffer 通常用于解决 I/O 操作，例如从文件或网络中读取和写入数据。它也能够用于解决加密和解密数据，以及解决图像和音频文件等二进制数据。总之，ByteBuffer 是 Java 中十分有用的一个类，能够帮忙开发人员更轻松地解决二进制数据。

根本应用

  1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)；

  2. 调用 flip() 切换至 读模式；

    • flip 会使得 buffer 中的 limit 变为 position，position 变为 0；
  3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()；

  4. 调用 clear() 或者 compact() 切换至 写模式；

    • 调用 clear() 办法时，position=0，limit 变为 capacity；
    • 调用 compact() 办法时，会将缓冲区中的未读数据压缩到缓冲区后面；
  5. 反复 1~4 的步骤；

编写代码进行测试：

@Slf4j
public class TestByteBuffer {public static void main(String[] args) {try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
            // 筹备缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            while (true) {
                // 从 channel 读取数据写入到 buffer
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读取到的字节数 {}", len);
                if (len == -1) break;

                // 打印 buffer 内容
                buffer.flip();  // 切换至读模式
                while(buffer.hasRemaining()) {  // 是否还有残余未读数据
                    byte b = buffer.get();
                    log.debug("理论字节 {}", (char)b);
                }
                buffer.clear();}
        } catch (IOException e) {}}

}

运行后果：

留神，日志须要进行配置，在 /src/main/resources/ 门路下，创立 logback.xml，其中的内容如下：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration
        xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">

    <!-- 输入管制，格局管制 -->
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%-5level] [%thread] %logger{17} - %m%n </pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <appender name="FILE" class="ch.qos.logback.core.rolling.RollingFileAppender">
        <!-- 日志文件名称 -->
        <file>logFile.log</file>
        <rollingPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.TimeBasedRollingPolicy">
            <!-- 每天产生一个新的日志文件 -->
            <fileNamePattern>logFile.%d{yyyy-MM-dd}.log</fileNamePattern>
            <!-- 保留 15 天的日志 -->
            <maxHistory>15</maxHistory>
        </rollingPolicy>
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%-5level] [%thread] %logger{17} - %m%n </pattern>
        </encoder>
    </appender>

    <!-- 用来管制查看哪个类的日志内容（对 mybatis name 代表命名空间）-->
    <logger name="com.sidiot.netty" level="DEBUG" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT" />
    </logger>

    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT" />
    </root>
</configuration>

将开端局部的 <logger name="com.sidiot.netty" level="DEBUG" additivity="false"> 中的 name 的属性值改成本人的包名即可。

局部读者可能会遇到如下问题：

这是因为 lombok 引起的，须要检查一下是否装置了 lombok 的插件，以及是否是最新版的 lombok，博主这里用的版本如下：

<dependency>  
    <groupId>org.projectlombok</groupId>  
    <artifactId>lombok</artifactId>  
    <version>1.18.26</version>  
</dependency>

内部结构

字节缓冲区的父类 Buffer 中有四个外围属性，从以下源码中能够清晰获知：

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity  
private int mark = -1;  
private int position = 0;  
private int limit;  
private int capacity;
  • position：示意以后缓冲区中下一个要被读或写的字节索引地位，默认值为 0。当咱们调用 put() 办法往缓冲区中写入数据时，position 会主动向后挪动，指向下一个可写的地位；当咱们调用 get() 办法从缓冲区中读取数据时，position 也会主动向后挪动，指向下一个可读的地位。
  • limit：示意以后缓冲区的限度大小，默认值为 capacity。在写模式下，limit 示意缓冲区最多可能写入的字节数；在读模式下，limit 示意缓冲区最多可能读取的字节数。在一些场景下，咱们能够通过设置 limit 来避免越界拜访缓冲区。
  • capacity：示意缓冲区的容量大小，默认创立 Buffer 对象时指定。capacity 只能在创立缓冲区时指定，并且不能扭转。例如，咱们能够创立一个容量为 1024 字节的 Buffer 对象，而后往里面写入不超过 1024 字节的数据。
  • mark：mark 和 reset 办法一起应用，用于记录和复原 position 的值。在 ByteBuffer 中，咱们能够通过调用 mark() 办法来记录以后 position 的值，而后随便挪动 position，最初再通过调用 reset() 办法将 position 复原到 mark 记录的地位。应用 mark 和 reset 能够在某些状况下进步代码的效率，防止频繁地从新计算或查问某个值。

这些属性一起组成了 Buffer 的状态，咱们能够依据它们的值来确定以后缓冲区的状态和可操作范畴。

初始化时，position，limit，capacity 的地位如下:

写模式下，position 代表写入地位，limit 代表写入容量，写入 3 个字节后的状态如下图所示：

当应用 flip() 函数切换至读模式后，position 切换为读取地位，limit 切换为读取限度：

这个变换也能够从 flip() 的源码清晰的获知：

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

当读完之后，应用 clean() 函数清空缓存区，可从源码获知，缓冲区又变成了初始化时的状态：

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

这里还有一种办法 compact()，其作用是将未读完的局部向前压缩，而后切换至写模式，不过须要留神的是，这是 ByteBuffer 中的办法：

接下来，将要联合代码对上述内容进行深刻了解；

这里用到了一个自定义的工具类 ByteBufferUtil，因为篇幅起因，自行从我的 Github 上进行获取：ByteBufferUtil.java；

编写一个测试类，对 ByteBuffer 的罕用办法进行测试：

public class TestByteBufferReadWrite {public static void main(String[] args) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

        // 写入一个字节的数据
        buffer.put((byte) 0x73);
        debugAll(buffer);

        // 写入一组五个字节的数据
        buffer.put(new byte[]{0x69, 0x64, 0x69, 0x6f, 0x74});
        debugAll(buffer);

        // 获取数据
        buffer.flip();
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println((char) buffer.get());
        System.out.println((char) buffer.get());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 应用 compact 切换写模式
        buffer.compact();
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 再次写入
        buffer.put((byte) 102);
        buffer.put((byte) 103);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
    }
}

运行后果：

// 向缓冲区写入了一个字节的数据，此时 postition 为 1；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 00 00 00 00 00 00 00 00 00                   |s.........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 向缓冲区写入了五个字节的数据，此时 postition 为 6；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00                   |sidiot....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 调用 flip() 切换至读模式，此时 position 为 0，示意从第 0 个数据开始读取；// 同时要留神，此时的 limit 为 6，示意 position=6 时内容就读完了；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00                   |sidiot....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 读取两个字节的数据；s
i

// 此时 position 变为 2；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [2], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00                   |sidiot....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 调用 compact() 切换至写模式，此时 position 及其前面的数据被压缩到 ByteBuffer 的后面；// 此时 position 为 4，会笼罩之前的数据；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 64 69 6f 74 6f 74 00 00 00 00                   |diotot....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 再次写入两个字节的数据，之前的 0x6f 0x74 被笼罩；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 64 69 6f 74 66 67 00 00 00 00                   |diotfg....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

空间调配

在上述内容中，咱们应用 allocate() 办法来为 ByteBuffer 调配空间，当然还有其余办法也能够为 ByteBuffer 调配空间；

public class TestByteBufferAllocate {public static void main(String[] args) {System.out.println(ByteBuffer.allocate(16).getClass());
        System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(16).getClass());
        /*
            class java.nio.HeapByteBuffer    - java 堆内存，读写效率低，受垃圾回收 GC 的影响；class java.nio.DirectByteBuffer  - 间接内存，读写效率高(少一次拷贝)，不会受 GC 的影响；- 应用完后 须要彻底的开释，免得内存泄露；*/

    }
}

写入数据

  • 调用 channel 的 read() 办法：channel.read(buf)；
  • 调用 buffer 的 put() 办法：buffer.put((byte) 127)；

读取数据

rewind

public Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

rewind() 的作用是将 position 设置为 0，这意味着下一次读取或写入操作将从缓冲区的结尾开始。

@Test
public void testRewind() {
    // rewind 从头开始读
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put(new byte[]{'s', 'i', 'd', 'i', 'o', 't'});
    buffer.flip();
    buffer.get(new byte[6]);
    debugAll(buffer);
    buffer.rewind();
    System.out.println((char) buffer.get());
}

运行后果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |sidiot..........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 从头读到第一个字符 's'；s

Process finished with exit code 0

mark 和 reset

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

mark() 用于在缓冲区中设置标记；

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

reset() 用于返回到标记地位；

@Test
public void testMarkAndReset() {
    // mark 做一个标记，用于记录 position 的地位；reset 是将 position 重置到 mark 的地位；ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put(new byte[]{'s', 'i', 'd', 'i', 'o', 't'});
    buffer.flip();
    System.out.println((char) buffer.get());
    System.out.println((char) buffer.get());
    buffer.mark();      // 增加标记为索引 2 的地位;
    System.out.println((char) buffer.get());
    System.out.println((char) buffer.get());
    debugAll(buffer);
    buffer.reset();     // 将 position 重置到索引 2;
    debugAll(buffer);
    System.out.println((char) buffer.get());
    System.out.println((char) buffer.get());
}

运行后果：

s
i
d
i

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |sidiot..........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// position 从 4 重置为 2；+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [2], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |sidiot..........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

d
i

Process finished with exit code 0

get(i)

get(i) 不会扭转读索引的地位；

@Test
public void testGet_i() {// get(i) 不会扭转读索引的地位；ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put(new byte[]{'s', 'i', 'd', 'i', 'o', 't'});
    buffer.flip();
    System.out.println((char) buffer.get(2));
    debugAll(buffer);
}

运行后果：

d
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |sidiot..........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

字符串与 ByteBuffer 的互相转换

getBytes

public byte[] getBytes() {return StringCoding.encode(coder(), value);
}

字符串调用 getByte() 办法取得 byte 数组，将 byte 数组放入 ByteBuffer 中：

@Test
public void testGetBytes() {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put("sidiot".getBytes());
    debugAll(buffer);
}

运行后果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [16]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |sidiot..........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

charset

public final ByteBuffer encode(String str) {return encode(CharBuffer.wrap(str));
}

通过 StandardCharsets 的 encode() 办法取得 ByteBuffer，此时取得的 ByteBuffer 为读模式，无需通过 flip() 切换模式：

@Test
public void testCharset() {ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("sidiot");
    debugAll(buffer);

    System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));
}

运行后果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74                               |sidiot          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

sidiot

Process finished with exit code 0

wrap

public static ByteBuffer wrap(byte[] array,
                                int offset, int length)
{
    try {return new HeapByteBuffer(array, offset, length, null);
    } catch (IllegalArgumentException x) {throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
}

将字节数组传给 wrap() 办法，通过该办法取得 ByteBuffer，此时的 ByteBuffer 同样为读模式：

@Test
public void testWrap() {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("sidiot".getBytes());
    debugAll(buffer);
}

运行后果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74                               |sidiot          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

后记

以上就是 从 0 到 1（一）：意识 ByteBuffer 的所有内容了，心愿本篇博文对大家有所帮忙！

正文完
后端
发表至： 后端
2023-06-04
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