小师妹学JavaIO之Buffer和Buff

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简介

小师妹在学习 NIO 的路上越走越远，唯一能够帮到她的就是在她需要的时候给她以全力的支持。什么都不说了，今天介绍的是 NIO 的基础 Buffer。老铁给我上个 Buff。

Buffer 是什么

小师妹：F 师兄，这个 Buffer 是我们纵横王者峡谷中那句：老铁给我加个 Buff 的意思吗？

当然不是了，此 Buffer 非彼 Buff，Buffer 是 NIO 的基础，没有 Buffer 就没有 NIO，没有 Buffer 就没有今天的 java。

因为 NIO 是按 Block 来读取数据的，这个一个 Block 就可以看做是一个 Buffer。我们在 Buffer 中存储要读取的数据和要写入的数据，通过 Buffer 来提高读取和写入的效率。

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还记得 java 对象的底层存储单位是什么吗？

小师妹：这个我知道，java 对象的底层存储单位是字节 Byte。

对，我们看下 Buffer 的继承图：

Buffer 是一个接口，它下面有诸多实现，包括最基本的 ByteBuffer 和其他的基本类型封装的其他 Buffer。

小师妹：F 师兄，有 ByteBuffer 不就够了吗？还要其他的类型 Buffer 做什么？

小师妹，山珍再好，也有吃腻的时候，偶尔也要换个萝卜白菜啥的，你以为乾隆下江南都干了些啥？

ByteBuffer 虽然好用，但是它毕竟是最小的单位，在它之上我们还有 Char，int，Double，Short 等等基础类型，为了简单起见，我们也给他们都搞一套 Buffer。

Buffer 进阶

小师妹：F 师兄，既然 Buffer 是这些基础类型的集合，为什么不直接用结合来表示呢？给他们封装成一个对象，好像有点多余。

我们既然在面向对象的世界，从表面来看自然是使用 Object 比较合乎情理，从底层的本质上看，这些封装的 Buffer 包含了一些额外的元数据信息，并且还提供了一些意想不到的功能。

上图列出了 Buffer 中的几个关键的概念，分别是 Capacity，Limit，Position 和 Mark。Buffer 底层的本质是数组，我们以 ByteBuffer 为例，它的底层是：

final byte[] hb;
  • Capacity 表示的是该 Buffer 能够承载元素的最大数目，这个是在 Buffer 创建初期就设置的，不可以被改变。
  • Limit 表示的 Buffer 中可以被访问的元素个数，也就是说 Buffer 中存活的元素个数。
  • Position 表示的是下一个可以被访问元素的 index，可以通过 put 和 get 方法进行自动更新。
  • Mark 表示的是历史 index，当我们调用 mark 方法的时候，会把设置 Mark 为当前的 position，通过调用 reset 方法把 Mark 的值恢复到 position 中。

创建 Buffer

小师妹：F 师兄呀，这么多 Buffer 创建起来是不是很麻烦？有没有什么快捷的使用办法？

一般来说创建 Buffer 有两种方法，一种叫做 allocate，一种叫做 wrap。

public void createBuffer(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        log.info("{}",intBuffer);
        log.info("{}",intBuffer.hasArray());
        int[] intArray=new int[10];
        IntBuffer intBuffer2= IntBuffer.wrap(intArray);
        log.info("{}",intBuffer2);
        IntBuffer intBuffer3= IntBuffer.wrap(intArray,2,5);
        log.info("{}",intBuffer3);
        intBuffer3.clear();
        log.info("{}",intBuffer3);
        log.info("{}",intBuffer3.hasArray());
    }

allocate 可以为 Buffer 分配一个空间，wrap 同样为 Buffer 分配一个空间，不同的是这个空间背后的数组是自定义的，wrap 还支持三个参数的方法，后面两个参数分别是 offset 和 length。

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - true
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=2 lim=7 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - true

hasArray 用来判断该 Buffer 的底层是不是数组实现的，可以看到，不管是 wrap 还是 allocate，其底层都是数组。

需要注意的一点，最后，我们调用了 clear 方法，clear 方法调用之后，我们发现 Buffer 的 position 和 limit 都被重置了。这说明 wrap 的三个参数方法设定的只是初始值，可以被重置。

Direct VS non-Direct

小师妹：F 师兄，你说了两种创建 Buffer 的方法，但是两种 Buffer 的后台都是数组，难道还有非数组的 Buffer 吗？

自然是有的, 但是只有 ByteBuffer 有。ByteBuffer 有一个 allocateDirect 方法，可以分配 Direct Buffer。

小师妹：Direct 和非 Direct 有什么区别呢？

Direct Buffer 就是说，不需要在用户空间再复制拷贝一份数据，直接在虚拟地址映射空间中进行操作。这叫 Direct。这样做的好处就是快。缺点就是在分配和销毁的时候会占用更多的资源，并且因为 Direct Buffer 不在用户空间之内，所以也不受垃圾回收机制的管辖。

所以通常来说只有在数据量比较大，生命周期比较长的数据来使用 Direct Buffer。

看下代码：

public void createByteBuffer() throws IOException {ByteBuffer byteBuffer= ByteBuffer.allocateDirect(10);
        log.info("{}",byteBuffer);
        log.info("{}",byteBuffer.hasArray());
        log.info("{}",byteBuffer.isDirect());

        try (RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("src/main/resources/www.flydean.com", "r");
             FileChannel inChannel = aFile.getChannel()) {MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
            log.info("{}",buffer);
            log.info("{}",buffer.hasArray());
            log.info("{}",buffer.isDirect());
        }
    }

除了 allocateDirect, 使用 FileChannel 的 map 方法也可以得到一个 Direct 的 MappedByteBuffer。

上面的例子输出结果：

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - false
INFO com.flydean.BufferUsage - true
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.DirectByteBufferR[pos=0 lim=0 cap=0]
INFO com.flydean.BufferUsage - false
INFO com.flydean.BufferUsage - true

Buffer 的日常操作

小师妹:F 师兄，看起来 Buffer 确实有那么一点复杂，那么 Buffer 都有哪些操作呢？

Buffer 的操作有很多，下面我们一一来讲解。

向 Buffer 写数据

向 Buffer 写数据可以调用 Buffer 的 put 方法：

public void putBuffer(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer.array());
        intBuffer.put(0,4);
        log.info("{}",intBuffer.array());
    }

因为 put 方法返回的还是一个 IntBuffer 类，所以 Buffer 的 put 方法可以像 Stream 那样连写。

同时，我们还可以指定 put 在什么位置。上面的代码输出：

INFO com.flydean.BufferUsage - [1, 2, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
INFO com.flydean.BufferUsage - [4, 2, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

从 Buffer 读数据

读数据使用 get 方法，但是在 get 方法之前我们需要调用 flip 方法。

flip 方法是做什么用的呢？上面讲到 Buffer 有个 position 和 limit 字段，position 会随着 get 或者 put 的方法自动指向后面一个元素，而 limit 表示的是该 Buffer 中有多少可用元素。

如果我们要读取 Buffer 的值则会从 positon 开始到 limit 结束：

public void getBuffer(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        intBuffer.flip();
        while (intBuffer.hasRemaining()) {log.info("{}",intBuffer.get());
        }
        intBuffer.clear();}

可以通过 hasRemaining 来判断是否还有下一个元素。通过调用 clear 来清除 Buffer，以供下次使用。

rewind Buffer

rewind 和 flip 很类似，不同之处在于 rewind 不会改变 limit 的值，只会将 position 重置为 0。

public void rewindBuffer(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer);
        intBuffer.rewind();
        log.info("{}",intBuffer);
    }

上面的结果输出：

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]

Compact Buffer

Buffer 还有一个 compact 方法，顾名思义 compact 就是压缩的意思，就是把 Buffer 从当前 position 到 limit 的值赋值到 position 为 0 的位置：

public void useCompact(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        intBuffer.flip();
        log.info("{}",intBuffer);
        intBuffer.get();
        intBuffer.compact();
        log.info("{}",intBuffer);
        log.info("{}",intBuffer.array());
    }

上面代码输出：

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=3 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=2 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - [2, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

duplicate Buffer

最后我们讲一下复制 Buffer，有三种方法，duplicate，asReadOnlyBuffer，和 slice。

duplicate 就是拷贝原 Buffer 的 position，limit 和 mark，它和原 Buffer 是共享原始数据的。所以修改了 duplicate 之后的 Buffer 也会同时修改原 Buffer。

如果用 asReadOnlyBuffer 就不允许拷贝之后的 Buffer 进行修改。

slice 也是 readOnly 的，不过它拷贝的是从原 Buffer 的 position 到 limit-position 之间的部分。

public void duplicateBuffer(){IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer);
        IntBuffer duplicateBuffer=intBuffer.duplicate();
        log.info("{}",duplicateBuffer);
        IntBuffer readOnlyBuffer=intBuffer.asReadOnlyBuffer();
        log.info("{}",readOnlyBuffer);
        IntBuffer sliceBuffer=intBuffer.slice();
        log.info("{}",sliceBuffer);
    }

输出结果：

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBufferR[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=7 cap=7]

总结

今天给小师妹介绍了 Buffer 的原理和基本操作。

本文的例子 https://github.com/ddean2009/learn-java-io-nio

本文作者：flydean 程序那些事

本文链接：http://www.flydean.com/java-io-nio-buffer/

本文来源：flydean 的博客

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正文完
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发表至： java
2020-06-10
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