缓冲区

缓冲区本质上就是一块内存，可以向该内存中写入数据以及从内存中读取数据。这块内存被包装成 NIO Buffer 对象，并提供了相关的 API，以方便的访问这块内存。需要注意的是缓冲区在读模式和写模式下有不同的行为。

属性

缓冲区通过四个属性来描述它所包含的数据信息：

  • capacity（容量）
    缓冲区能被容纳元素的最大数量。当缓冲区被创建之后，它的容量就已经确定了，在使用过程中不可改变

  • position（位置）
    表示下一个要被读或者写的元素的索引。position 的最大有效值为 capacity-1。

  • limit（上界）

    • 当缓冲区处于写模式时，limit 表示最多能往 Buffer 里写入的数据。该模式下，limit 就等于 Buffer 的 capacity。
    • 当缓冲区处于读模式时，limit 表示最多可以读到的数据。在该模式下，limit 会被设置为写模式下的 positoin 值。

  • mark（标记）
    保存一个 position 信息备份。通过调用 mark() 方法，可以将 mark 值设为当前 position 值，即 mark=position。随后再调用 reset 方法时，会将 position 值重置为 mark 值。初始时 mark 是未定义的，只有调用了 mark() 方法之后，mark 值才被定义。

初始化

Buffer 的子类有很多，这里我们以 ByteBuffer 为例，来看下缓冲区处于不同模式下的结构变化。下图是缓冲区刚被创建时的状态，此时缓冲区处于写模式。这里 mark 被设为 -1，用来表示 mark 是未定义的 （undefined）。我们看到缓冲区实际上就是一个数组加上我们前面说的几个属性，注意这里创建了一个长度为 10 的缓存区，索引从 0 - 9，10 元素是不存在，这里为了方便描述，绘制了一个虚拟的 10 号元素。

图片参考 Java NIO

写入数据

我们有两种方式向 Buffer 里写数据：

  • 从 Channel 里写到 Buffer
      int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
  • 通过 Buffer 的 put 方法
      buf.put('A');

假设我们向缓冲区中写入了 5 个元素，那么此时缓冲区就变为下面的状态：

在向缓冲区写入的过程中，会首先数据写入到 position 对应的位置，然后对 position 执行加 1 操作，下面是代码实现：

final int nextPutIndex() { // package-private
    if (position >= limit)
        throw new BufferOverflowException();
    return position++;
}

读取数据

下面我们再来看下缓冲区的读操作。通过 flip 方法，可以将缓冲区切换到读取模式，我们看下 flip 方法的实现：

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

我们看到 flip 方法中其实做了3件事：

  • 将 limit 设为 position：在读模式下，limit 主要用来标记缓冲区中可读元素的上限，也就是在读之前，缓冲区中已经写入的元素数量。根据缓冲区写入的过程，缓冲区中已经写入的元素个数其实就是写模式下的 position 值，所以这里将 limit 设为 position。
  • 将 position 设为 0：因为缓冲区是顺序写入，所以我们从 0 开始都即可。
  • 重置 mark。

下面是执行 flip 方法之后缓冲区的状态：

然后我们可以通过下面两种方式从缓冲区中读数据：

  • 将 Buffer 数据读入到 Channel 中
    int bytesWritten = inChannel.write(buf);
  • 调用 Buffer 的 get 方法，get 方法有多个版本，具体的参见 JDK 文档。
    byte aByte = buf.get();

如果我们希望重新读数据，可以调用 rewind 方法，该方法会将 position 置为 0，而 limit 保持不变，下面是该方法的实现：

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

在读取完 position 位置的数据之后，也会将 position 的值加 1。另外从上面的图我们也可以看出，不管是读模式和写模式，Buffer 的 capatity 值是一致的。

释放缓冲区

当读完缓冲区的数据之后，需要让 buffer 准备好再次被写入，也就是将缓冲区中的数据释放掉。我们可以通过 clear() 或者 compact() 方法来清除数据。我们首先看下 clear 方法，下面是实现代码：

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

我们看到 clear 方法只是重置了 position、limit 和 mark 这 3 个变量，Buffer 中原有的数据并没有被清除。

在看 compact 方法之前，我们首先看下 hasRemaining 和 remaining 方法：

  • hasRemaining - 查询是否还有剩余元素
    • 写模式 - 检查缓冲区中是否还有空闲的空间可以写入，
    • 读模式 - 检查缓冲区中是否还有未读的元素
      public final boolean hasRemaining() {
  return position < limit;
}
  • remaining - 返回剩余元素的个数
    • 写模式 - 返回空闲元素的个数
    • 读模式 - 返回未读元素的个数
      public final int remaining() {
  return limit - position;
}

compact 方法会保留未读数据。该方法首先将所有未读的元素拷贝到 Buffer 起始处，然后将 position 指向最后一个未读元素的后面，下图是一个示例。下图中我们假设缓冲区已经被读了两个元素，然后对该缓冲区调用 compact 方法。

下面我们看下 ByteBuffer 中 compact 方法的实现：

public ByteBuffer compact() {
    // 复制 Buffer 剩余元素到 Buffer 起始处
    System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    // 设置 position为剩余元素个数值
    position(remaining());
    // 设置 limit 值为 capacity
    limit(capacity());
    // 重置 mark
    discardMark();
    return this;
}

/**
 * @param      src      the source array.
 * @param      srcPos   starting position in the source array.
 * @param      dest     the destination array.
 * @param      destPos  starting position in the destination data.
 * @param      length   the number of array elements to be copied.
 */
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
    Object dest, int destPos, int length);

标记

下面我们来看下 mark 属性。mark 属性主要用来设置一个标记，然后我们可以将 position 重置到 mark 标记的位置。通过调用 mark() 方法会将 mark 的值设为当前的 position 值，当调用 reset() 方法时，会将 position 重置为 mark 值，如果 mark 未定义，会抛出 InvalidMarkException 异常。注意我们前面说的 rewind()、clear()、flip() 方法会重置 mark 值，下面是两个方法的实现：

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;
}

类别

NIO 中提供了不同的 Buffer 用来存储不同的数据类型，主要包含下面几种：

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

下面是相关的数据类型以及大小

数据类型 大小(字节数量)
char 2
short 2
int 4
long 8
float 4
double 8
byte 1

其中 ByteBuffer 比较特殊，它以字节为单位，可以通过 asXXXBuffer 方法转换成其他类型的 Buffer，例如转换为 CharBuffer：byteBuffer.asCharBuffer()。需要注意的一点是转换成 CharBuffer 时会有编码问题，这个在后面讨论。

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