【死磕 NIO】— 深入分析Buffer

大家好，我是大明哥，今天我們來看看 Buffer。

上面幾篇文章詳細介紹了 IO 相關的一些基本概念，如阻塞、非阻塞、同步、非同步的區別，Reactor 模式、Proactor 模式。以下是這幾篇文章的鏈接，有興趣的同學可以閱讀下：

從這篇文章開始，我們將回歸 NIO 方面的相關知識，首先從 NIO 的三大核心組件說起。

  • Buffer

  • Channel

  • Selector

首先是 Buffer

Buffer

Buffer 是一個抽象類，主要用作緩衝區，其實質我們可以認為是一個可以寫入數據，然後從中讀取數據的記憶體塊。這塊記憶體被包裝成 NIO Buffer 對象，並提供一系列的方法便於我們訪問這塊記憶體。

要理解 Buffer 的工作原理，首先就要理解它的 4 個索引：

  • capacity：容量

  • position：位置

  • limit：界限

  • mark：標記

capacity 則表示該 Buffer 的容量，而 position 和 limit 的含義取決於 Buffer 處於什麼模式（讀模式或者寫模式），下圖描述讀寫模式下這三種屬性的含義

  • capacity

capacity 表示容量，Buffer 是一個記憶體塊，其存儲數據的最大大小就是 capacity。我們不斷地往 Buffer 中寫入數據，當 Buffer 被寫滿後也就是存儲的數據達到 capacity 了就需要將其清空，才能繼續寫入數據。

  • position

position 的含義取決於 Buffer 處於寫模式還是讀模式：

  • 如果是寫模式，則寫入的地方就是所謂的 position，其初始值是 0，最大值是 capacity – 1，當往 Buffer 中寫入一個數據時，position 就會向前移動到下一個待寫入的位置。

  • 如果是讀模式，則讀取數據的地方就是 position。當執行 flip() 將 buffer 從寫模式切換到讀模式時，position 會被重置為 0，隨著數據不斷的讀取，position 不斷地向前移，直到 limit。

  • limit

與 position 一樣，limit 的含義也取決於 Buffer 處於何種模式：

  • 寫模式：當 Buffer 處於寫模式時，limit 是指能夠往 Buffer 中寫入多少數據，其值等於 capacity

  • 讀模式：當 Buffer 處於讀模式時，limit 表示能夠從 Buffer 中最多能夠讀取多少數據出來，所以當 Buffer 從寫模式切換到讀模式時，limit 會被設置寫模式下的 position 的值

  • mark

mark 僅僅只是一個標識，可以通過 mark() 方法進行設置，設置值為當前的 position

Buffer 方法

Buffer 提供了一系列的方法用來操作它，比如 clear() 用來清空緩衝區，filp() 用來讀切換等等方法，下面將依次演示 Buffer 的主要方法，包含從 Buffer 獲取實例、寫入數據、讀取數據、重置等等一個系列的操作流程，同時將 position、limit 兩個參數列印出來，便於我們更好地理解 Buffer。

allocate()

要獲取一個 Buffer 對象，首先就要為期分配記憶體空間，使用 allocate() 方法分配記憶體空間，如下：

DoubleBuffer buffer = DoubleBuffer.allocate(10);

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

這裡分配了 10 * sikeof(double) 位元組的記憶體空間。需要注意的是 allocate() 裡面參數並不是位元組數，而是寫入對象的數量，比如上面實例參數是 10 ，表明我們可以寫 10 個 double 對象。

結果如下：

================= allocate 10 後 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 10

此時，Buffer 的情況如下：

put()

調用 allocate() 分配記憶體後，得到 DoubleBuffer 實例對象，該對象目前處於寫模式，我們可以通過 put() 方法向 Buffer 裡面寫入數據。

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

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

調用 put() 往 DoubleBuffer 裡面存放 2 個元素，此時，各自參數值如下：

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

我們看到 position 的值變成了 2 ，指向第三個可以寫入元素的位置。這個時候我們再寫入 3 個元素：

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

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

得到結果如下：

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

此時，position 的值變成 5 ，指向第 6 個可以寫入元素的位置。

該 Buffer 的情況如下：

flip()

調用 put() 方法向 Buffer 中存儲數據後，這時 Buffer 仍然處於寫模式狀態，在寫模式狀態下我們是不能直接從 Buffer 中讀取數據的，需要調用 flip() 方法將 Buffer 從寫模式切換為讀模式。

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

得到的結果如下：

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

調用 flip() 方法將 Buffer 從寫模式切換為讀模式後，Buffer 的參數發生了微秒的變化：position = 0，limit = 5。前面說過在讀模式下，limit 代表是 Buffer 的可讀長度，它等於寫模式下的 position，而 position 則是讀的位置。

flip() 方法主要是將 Buffer 從寫模式切換為讀模式，其調整的規則如下：

  • 設置可讀的長度 limit。將寫模式寫的 Buffer 中內容的最後位置 position 值變成讀模式下的 limit 位置值，新的 limit 值作為讀越界位置

  • 設置讀的起始位置。將 position 的值設置為 0 ，表示從 0 位置處開始讀

  • 如果之前有 mark 保存的標記位置，也需要消除，因為那是寫模式下的 mark 標記

調動 flip() 後，該 Buffer 情況如下：

get()

調用 flip() 將 Buffer 切換為讀模式後，就可以調用 get() 方法讀取 Buffer 中的數據了，get() 讀取數據很簡單，每次從 position 的位置讀取一個數據，並且將 position 向前移動 1 位。如下：

System.out.println("讀取第 1 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 2 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("================= get 2 後 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

連續調用 2 次 get() 方法，輸出結果：

讀取第 1 個位置的數據：1.0
讀取第 2 個位置的數據：2.0
================= get 2 後 =================
capacity = 10
position = 2
limit = 5

position 的值變成了 2 ，表明它向前移動了 2 位，此時，Buffer 如下：

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

System.out.println("讀取第 3 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 4 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 5 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 6 個位置的數據：" + buffer.get());
System.out.println("讀取第 7 個位置的數據：" + buffer.get());

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

讀取第 3 個位置的數據：3.0
讀取第 4 個位置的數據：4.0
讀取第 5 個位置的數據：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 是隨著讀取的進度一直往前移動的，那如果我想在讀取一遍數據呢？使用 rewind() 方法，可以進行重複讀。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 後 =================");
System.out.println("capacity = " + buffer.capacity());
System.out.println("position = " + buffer.position());
System.out.println("limit = " + buffer.limit());

運行結果：

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

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

clear() 和 compact()

flip() 方法用於將 Buffer 從寫模式切換到讀模式，那怎麼將 Buffer 從讀模式切換至寫模式呢？可以調用 clear() 和 compact() 兩個方法。

  • clear()
buffer.clear();

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

運行結果如下：

================= clear 後 =================
capacity = 10
position = 0
limit = 10

調用 clear() 後，我們發現 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。但是裡面的數據仍然是存在的，只是沒有標記哪些數據是已讀，哪些為未讀。

  • compact()

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

buffer.compact();

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

運行結果如下：

================= compact 後 =================
capacity = 10
position = 3
limit = 10

可以看到 position 的值為 3，它與 clear() 區別就在於，它會將所有未讀的數據全部複製到 Buffer 的前面（5次put()，兩次 get()），將 position 設置到這些數據後面，所以此時是從未讀的數據後面開始寫入新的數據，Buffer 情況如下：

mark() 和 reset()

調用 mark() 方法可以標誌一個指定的位置（即設置 mark 的值），之後調用 reset() 時，position 又會回到之前標記的位置。

通過上面的步驟演示，我想小夥伴基本上已經掌握了 Buffer 的使用方法，這裡簡要總結下，使用 Buffer 的步驟如下：

  1. 將數據寫入 Buffer 中

  2. 調用 flip() 方法，將 Buffer 切換為讀模式

  3. 從 Buffer 中讀取數據

  4. 調用 clear() 或者 compact() 方法將 Buffer 切換為寫模式

Buffer 的類型

在 NIO 中主要有 8 中 Buffer，分別如下：

  • ByteBuffer

  • CharBuffer

  • DoubleBuffer

  • FloatBuffer

  • IntBuffer

  • LongBuffer

  • ShortBuffer

  • MappedByteBuffer

其 UML 類圖如下：

這些不同的 Buffer 類型代表了不同的數據類型，使得可以通過 Buffer 直接操作如 char、short 等類型的數據而不是位元組數據。這些 Buffer 基本上覆蓋了所有能從 IO 中傳輸的 Java 基本數據類型，其中 MappedByteBuffer 是專門用於記憶體映射的的一種 ByteBuffer，後續會專門介紹。

到這裡 Buffer 也就介紹完畢了，下篇文章將介紹它的協作者 Channel。

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