小師妹學JavaIO之:Buffer和Buff

• 2020 年 6 月 10 日
• 筆記
• buffer, IO, JAVA, java-io-nio, NIO, 小師妹

簡介

小師妹在學習NIO的路上越走越遠，唯一能夠幫到她的就是在她需要的時候給她以全力的支援。什麼都不說了，今天介紹的是NIO的基礎Buffer。老鐵給我上個Buff。

Buffer是什麼

小師妹：F師兄，這個Buffer是我們縱橫王者峽谷中那句：老鐵給我加個Buff的意思嗎？

當然不是了，此Buffer非彼Buff，Buffer是NIO的基礎，沒有Buffer就沒有NIO，沒有Buffer就沒有今天的java。

因為NIO是按Block來讀取數據的，這個一個Block就可以看做是一個Buffer。我們在Buffer中存儲要讀取的數據和要寫入的數據，通過Buffer來提高讀取和寫入的效率。

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還記得java對象的底層存儲單位是什麼嗎？

小師妹：這個我知道，java對象的底層存儲單位是位元組Byte。

對，我們看下Buffer的繼承圖：

Buffer是一個介面，它下面有諸多實現，包括最基本的ByteBuffer和其他的基本類型封裝的其他Buffer。

小師妹：F師兄，有ByteBuffer不就夠了嗎？還要其他的類型Buffer做什麼？

小師妹，山珍再好，也有吃膩的時候，偶爾也要換個蘿蔔白菜啥的，你以為乾隆下江南都幹了些啥？

ByteBuffer雖然好用，但是它畢竟是最小的單位，在它之上我們還有Char，int，Double，Short等等基礎類型，為了簡單起見，我們也給他們都搞一套Buffer。

Buffer進階

小師妹：F師兄，既然Buffer是這些基礎類型的集合，為什麼不直接用結合來表示呢？給他們封裝成一個對象，好像有點多餘。

我們既然在面向對象的世界，從表面來看自然是使用Object比較合乎情理，從底層的本質上看，這些封裝的Buffer包含了一些額外的元數據資訊，並且還提供了一些意想不到的功能。

上圖列出了Buffer中的幾個關鍵的概念，分別是Capacity，Limit，Position和Mark。Buffer底層的本質是數組，我們以ByteBuffer為例，它的底層是：

final byte[] hb; 

• Capacity表示的是該Buffer能夠承載元素的最大數目，這個是在Buffer創建初期就設置的，不可以被改變。
• Limit表示的Buffer中可以被訪問的元素個數，也就是說Buffer中存活的元素個數。
• Position表示的是下一個可以被訪問元素的index，可以通過put和get方法進行自動更新。
• Mark表示的是歷史index，當我們調用mark方法的時候，會把設置Mark為當前的position，通過調用reset方法把Mark的值恢復到position中。

創建Buffer

小師妹：F師兄呀，這麼多Buffer創建起來是不是很麻煩？有沒有什麼快捷的使用辦法？

一般來說創建Buffer有兩種方法，一種叫做allocate，一種叫做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可以為Buffer分配一個空間，wrap同樣為Buffer分配一個空間，不同的是這個空間背後的數組是自定義的，wrap還支援三個參數的方法，後面兩個參數分別是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用來判斷該Buffer的底層是不是數組實現的，可以看到，不管是wrap還是allocate，其底層都是數組。

需要注意的一點，最後，我們調用了clear方法，clear方法調用之後，我們發現Buffer的position和limit都被重置了。這說明wrap的三個參數方法設定的只是初始值，可以被重置。

Direct VS non-Direct

小師妹：F師兄，你說了兩種創建Buffer的方法，但是兩種Buffer的後台都是數組，難道還有非數組的Buffer嗎？

自然是有的,但是只有ByteBuffer有。ByteBuffer有一個allocateDirect方法，可以分配Direct Buffer。

小師妹：Direct和非Direct有什麼區別呢？

Direct Buffer就是說，不需要在用戶空間再複製拷貝一份數據，直接在虛擬地址映射空間中進行操作。這叫Direct。這樣做的好處就是快。缺點就是在分配和銷毀的時候會佔用更多的資源，並且因為Direct Buffer不在用戶空間之內，所以也不受垃圾回收機制的管轄。

所以通常來說只有在數據量比較大，生命周期比較長的數據來使用Direct Buffer。

看下程式碼：

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方法也可以得到一個Direct的MappedByteBuffer。

上面的例子輸出結果：

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

小師妹:F師兄，看起來Buffer確實有那麼一點複雜，那麼Buffer都有哪些操作呢？

Buffer的操作有很多，下面我們一一來講解。

向Buffer寫數據

向Buffer寫數據可以調用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());
    }

因為put方法返回的還是一個IntBuffer類，所以Buffer的put方法可以像Stream那樣連寫。

同時，我們還可以指定put在什麼位置。上面的程式碼輸出：

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]

從Buffer讀數據

讀數據使用get方法，但是在get方法之前我們需要調用flip方法。

flip方法是做什麼用的呢？上面講到Buffer有個position和limit欄位，position會隨著get或者put的方法自動指向後面一個元素，而limit表示的是該Buffer中有多少可用元素。

如果我們要讀取Buffer的值則會從positon開始到limit結束：

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();
    }

可以通過hasRemaining來判斷是否還有下一個元素。通過調用clear來清除Buffer，以供下次使用。

rewind Buffer

rewind和flip很類似，不同之處在於rewind不會改變limit的值，只會將position重置為0。

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

上面的結果輸出：

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還有一個compact方法，顧名思義compact就是壓縮的意思，就是把Buffer從當前position到limit的值賦值到position為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());
    }

上面程式碼輸出：

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

最後我們講一下複製Buffer，有三種方法，duplicate，asReadOnlyBuffer，和slice。

duplicate就是拷貝原Buffer的position，limit和mark，它和原Buffer是共享原始數據的。所以修改了duplicate之後的Buffer也會同時修改原Buffer。

如果用asReadOnlyBuffer就不允許拷貝之後的Buffer進行修改。

slice也是readOnly的，不過它拷貝的是從原Buffer的position到limit-position之間的部分。

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);
    }

輸出結果：

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]

總結

今天給小師妹介紹了Buffer的原理和基本操作。

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

本文作者：flydean程式那些事

本文鏈接：//www.flydean.com/java-io-nio-buffer/

本文來源：flydean的部落格

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