【死磕 NIO】— 深入分析Buffer

大家好，我是大明哥，今天我們來(lái)看看 Buffer。

上面幾篇文章詳細(xì)介紹了 IO 相關(guān)的一些基本概念，如阻塞、非阻塞、同步、異步的區(qū)別，Reactor 模式、Proactor 模式。以下是這幾篇文章的鏈接，有興趣的同學(xué)可以閱讀下：

• 【死磕NIO】— 阻塞、非阻塞、同步、異步，傻傻分不清楚

• 【死磕NIO】— 阻塞IO，非阻塞IO，IO復(fù)用，信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO，異步IO，這你真的分的清楚嗎？

• 【死磕 NIO】— Reactor 模式就一定意味著高性能嗎？

• 【死磕 NIO】— Proactor模式是什么？很牛逼嗎？

從這篇文章開(kāi)始，我們將回歸 NIO 方面的相關(guān)知識(shí)，首先從 NIO 的三大核心組件說(shuō)起。

• Buffer

• Channel

• Selector

首先是 Buffer

Buffer

Buffer 是一個(gè)抽象類(lèi)，主要用作緩沖區(qū)，其實(shí)質(zhì)我們可以認(rèn)為是一個(gè)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后從中讀取數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊。這塊內(nèi)存被包裝成 NIO Buffer 對(duì)象，并提供一系列的方法便于我們?cè)L問(wèn)這塊內(nèi)存。

要理解 Buffer 的工作原理，首先就要理解它的 4 個(gè)索引：

• capacity：容量

• position：位置

• limit：界限

• mark：標(biāo)記

capacity 則表示該 Buffer 的容量，而 position 和 limit 的含義取決于 Buffer 處于什么模式（讀模式或者寫(xiě)模式），下圖描述讀寫(xiě)模式下這三種屬性的含義

• capacity

capacity 表示容量，Buffer 是一個(gè)內(nèi)存塊，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最大大小就是 capacity。我們不斷地往 Buffer 中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，當(dāng) Buffer 被寫(xiě)滿(mǎn)后也就是存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到 capacity 了就需要將其清空，才能繼續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

• position

position 的含義取決于 Buffer 處于寫(xiě)模式還是讀模式：

• 如果是寫(xiě)模式，則寫(xiě)入的地方就是所謂的 position，其初始值是 0，最大值是 capacity - 1，當(dāng)往 Buffer 中寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，position 就會(huì)向前移動(dòng)到下一個(gè)待寫(xiě)入的位置。

• 如果是讀模式，則讀取數(shù)據(jù)的地方就是 position。當(dāng)執(zhí)行 flip() 將 buffer 從寫(xiě)模式切換到讀模式時(shí)，position 會(huì)被重置為 0，隨著數(shù)據(jù)不斷的讀取，position 不斷地向前移，直到 limit。

• limit

與 position 一樣，limit 的含義也取決于 Buffer 處于何種模式：

• 寫(xiě)模式：當(dāng) Buffer 處于寫(xiě)模式時(shí)，limit 是指能夠往 Buffer 中寫(xiě)入多少數(shù)據(jù)，其值等于 capacity

• 讀模式：當(dāng) Buffer 處于讀模式時(shí)，limit 表示能夠從 Buffer 中最多能夠讀取多少數(shù)據(jù)出來(lái)，所以當(dāng) Buffer 從寫(xiě)模式切換到讀模式時(shí)，limit 會(huì)被設(shè)置寫(xiě)模式下的 position 的值

• mark

mark 僅僅只是一個(gè)標(biāo)識(shí)，可以通過(guò) mark() 方法進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置值為當(dāng)前的 position

Buffer 方法

Buffer 提供了一系列的方法用來(lái)操作它，比如 clear() 用來(lái)清空緩沖區(qū)，filp() 用來(lái)讀切換等等方法，下面將依次演示 Buffer 的主要方法，包含從 Buffer 獲取實(shí)例、寫(xiě)入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、重置等等一個(gè)系列的操作流程，同時(shí)將 position、limit 兩個(gè)參數(shù)打印出來(lái)，便于我們更好地理解 Buffer。

allocate()

要獲取一個(gè) Buffer 對(duì)象，首先就要為期分配內(nèi)存空間，使用 allocate() 方法分配內(nèi)存空間，如下：

DoubleBuffer buffer = DoubleBuffer.allocate(10);

System.out.println("================= allocate 10 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

這里分配了 10 * sikeof(double) 字節(jié)的內(nèi)存空間。需要注意的是 allocate() 里面參數(shù)并不是字節(jié)數(shù)，而是寫(xiě)入對(duì)象的數(shù)量，比如上面實(shí)例參數(shù)是 10 ，表明我們可以寫(xiě) 10 個(gè) double 對(duì)象。

結(jié)果如下：

================= allocate 10 后 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 10

此時(shí)，Buffer 的情況如下：

put()

調(diào)用 allocate() 分配內(nèi)存后，得到 DoubleBuffer 實(shí)例對(duì)象，該對(duì)象目前處于寫(xiě)模式，我們可以通過(guò) put() 方法向 Buffer 里面寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

buffer.put(1);
buffer.put(2);

System.out.println("================= put 1、2 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

調(diào)用 put() 往 DoubleBuffer 里面存放 2 個(gè)元素，此時(shí)，各自參數(shù)值如下：

================= put 1、2 后 =================
capacity = 10
position = 2
limit = 10

我們看到 position 的值變成了 2 ，指向第三個(gè)可以寫(xiě)入元素的位置。這個(gè)時(shí)候我們?cè)賹?xiě)入 3 個(gè)元素：

buffer.put(3);
buffer.put(4);
buffer.put(5);

System.out.println("================= put 3、4、5 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

得到結(jié)果如下：

================= put 3、4、5 后 =================
capacity = 10
position = 5
limit = 10

此時(shí)，position 的值變成 5 ，指向第 6 個(gè)可以寫(xiě)入元素的位置。

該 Buffer 的情況如下：

flip()

調(diào)用 put() 方法向 Buffer 中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，這時(shí) Buffer 仍然處于寫(xiě)模式狀態(tài)，在寫(xiě)模式狀態(tài)下我們是不能直接從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)的，需要調(diào)用 flip() 方法將 Buffer 從寫(xiě)模式切換為讀模式。

buffer.flip();
System.out.println("================= flip 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

得到的結(jié)果如下：

================= flip 后 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 5

調(diào)用 flip() 方法將 Buffer 從寫(xiě)模式切換為讀模式后，Buffer 的參數(shù)發(fā)生了微秒的變化：position = 0，limit = 5。前面說(shuō)過(guò)在讀模式下，limit 代表是 Buffer 的可讀長(zhǎng)度，它等于寫(xiě)模式下的 position，而 position 則是讀的位置。

flip() 方法主要是將 Buffer 從寫(xiě)模式切換為讀模式，其調(diào)整的規(guī)則如下：

• 設(shè)置可讀的長(zhǎng)度 limit。將寫(xiě)模式寫(xiě)的 Buffer 中內(nèi)容的最后位置 position 值變成讀模式下的 limit 位置值，新的 limit 值作為讀越界位置

• 設(shè)置讀的起始位置。將 position 的值設(shè)置為 0 ，表示從 0 位置處開(kāi)始讀

• 如果之前有 mark 保存的標(biāo)記位置，也需要消除，因?yàn)槟鞘菍?xiě)模式下的 mark 標(biāo)記

調(diào)動(dòng) flip() 后，該 Buffer 情況如下：

get()

調(diào)用 flip() 將 Buffer 切換為讀模式后，就可以調(diào)用 get() 方法讀取 Buffer 中的數(shù)據(jù)了，get() 讀取數(shù)據(jù)很簡(jiǎn)單，每次從 position 的位置讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并且將 position 向前移動(dòng) 1 位。如下：

System.out.println("讀取第 1 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 2 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("================= get 2 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

連續(xù)調(diào)用 2 次 get() 方法，輸出結(jié)果：

讀取第 1 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：1.0
讀取第 2 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：2.0
================= get 2 后 =================
capacity = 10
position = 2
limit = 5

position 的值變成了 2 ，表明它向前移動(dòng)了 2 位，此時(shí)，Buffer 如下：

我們知道 limit 表明當(dāng)前 Buffer 最大可讀位置，buffer 也是一邊讀，position 位置一邊往前移動(dòng)，那如果越界讀取呢？

System.out.println("讀取第 3 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 4 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 5 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 6 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 7 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：" + buffer.get());

limit = 5，6 、7 位置明顯越界了，如果越界讀取，Buffer 會(huì)拋出 BufferUnderflowException，如下：

讀取第 3 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：3.0
讀取第 4 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：4.0
讀取第 5 個(gè)位置的數(shù)據(jù)：5.0
Exception in thread "main" java.nio.BufferUnderflowException
  at java.nio.Buffer.nextGetIndex(Buffer.java:500)
  at java.nio.HeapDoubleBuffer.get(HeapDoubleBuffer.java:135)
  at com.chenssy.study.nio.BufferTest.main(BufferTest.java:48)

rewind()

position 是隨著讀取的進(jìn)度一直往前移動(dòng)的，那如果我想在讀取一遍數(shù)據(jù)呢？使用 rewind() 方法，可以進(jìn)行重復(fù)讀。rewind() 也叫做倒帶，就想播放磁帶一樣，倒回去重新讀。

buffer.rewind();
System.out.println("================= rewind 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

運(yùn)行結(jié)果：

================= rewind 后 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 5

可以看到，僅僅只是將 position 的值設(shè)置為了 0，limit 的值保持不變。

clear() 和 compact()

flip() 方法用于將 Buffer 從寫(xiě)模式切換到讀模式，那怎么將 Buffer 從讀模式切換至寫(xiě)模式呢？可以調(diào)用 clear() 和 compact() 兩個(gè)方法。

• clear()

buffer.clear();

System.out.println("================= clear 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

運(yùn)行結(jié)果如下：

================= clear 后 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 10

調(diào)用 clear() 后，我們發(fā)現(xiàn) position 的值變成了 0，limit 值變成了 10，也就是 Buffer 被清空了，回歸到最初始狀態(tài)。但是里面的數(shù)據(jù)仍然是存在的，只是沒(méi)有標(biāo)記哪些數(shù)據(jù)是已讀，哪些為未讀。

• compact()

compact() 方法也可以將 Buffer 從讀模式切換到寫(xiě)模式，它跟 clear() 有一些區(qū)別。

buffer.compact();

System.out.println("================= compact 后 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

運(yùn)行結(jié)果如下：

================= compact 后 =================
capacity = 10
position = 3
limit = 10

可以看到 position 的值為 3，它與 clear() 區(qū)別就在于，它會(huì)將所有未讀的數(shù)據(jù)全部復(fù)制到 Buffer 的前面（5次put()，兩次 get()），將 position 設(shè)置到這些數(shù)據(jù)后面，所以此時(shí)是從未讀的數(shù)據(jù)后面開(kāi)始寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)，Buffer 情況如下：

mark() 和 reset()

調(diào)用 mark() 方法可以標(biāo)志一個(gè)指定的位置（即設(shè)置 mark 的值），之后調(diào)用 reset() 時(shí)，position 又會(huì)回到之前標(biāo)記的位置。

通過(guò)上面的步驟演示，我想小伙伴基本上已經(jīng)掌握了 Buffer 的使用方法，這里簡(jiǎn)要總結(jié)下，使用 Buffer 的步驟如下：

1. 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 Buffer 中

2. 調(diào)用 flip() 方法，將 Buffer 切換為讀模式

3. 從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

4. 調(diào)用 clear() 或者 compact() 方法將 Buffer 切換為寫(xiě)模式

Buffer 的類(lèi)型

在 NIO 中主要有 8 中 Buffer，分別如下：

• ByteBuffer

• CharBuffer

• DoubleBuffer

• FloatBuffer

• IntBuffer

• LongBuffer

• ShortBuffer

• MappedByteBuffer

其 UML 類(lèi)圖如下：

這些不同的 Buffer 類(lèi)型代表了不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，使得可以通過(guò) Buffer 直接操作如 char、short 等類(lèi)型的數(shù)據(jù)而不是字節(jié)數(shù)據(jù)。這些 Buffer 基本上覆蓋了所有能從 IO 中傳輸?shù)?Java 基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中 MappedByteBuffer 是專(zhuān)門(mén)用于內(nèi)存映射的的一種 ByteBuffer，后續(xù)會(huì)專(zhuān)門(mén)介紹。

到這里 Buffer 也就介紹完畢了，下篇文章將介紹它的協(xié)作者 Channel。