一、Buffer 簡介

Java NIO 中的 Buffer 用于和 NIO 通道進行交互。數(shù)據(jù)是通道讀取到緩沖區(qū)

緩沖區(qū)本質上是一塊可以寫入數(shù)據(jù)，然后可以從中讀取數(shù)據(jù)的內存。這塊內存被包裝 NIO Buffer 對象，并且提供了一組方法，用來方便的訪問這塊內存。緩沖區(qū)世紀上一個容器對象，更直接的說，其實就是一個數(shù)組，在 NIO 庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。 在讀取數(shù)據(jù)時，它直接讀到緩沖區(qū)中；在寫數(shù)據(jù)時，它也是寫入到緩沖區(qū)中的；任何時候訪問 NIO 中的數(shù)據(jù)，都是將它放到緩沖區(qū)中。而在面向流 I/O 系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)都是直接寫入或者直接將數(shù)據(jù)讀取到 Stream 對象中。

在 NIO 中，所有的緩沖區(qū)類型都是繼承于抽象類 Buffer, 最常用的就是 ByteBuffer. 對于 Java 中國呢的基本類型，金額都有一個具體 Buffer 類型與之對應，他們之間的繼承關系如下圖所示：

二、Buffer 的基本方法

1、使用 Buffer 讀寫數(shù)據(jù)

使用 Buffer 讀寫數(shù)據(jù)，一般遵循以下四個步驟：

（1）寫數(shù)據(jù)到 Buffer

（2）調用flip() 方法

（3）從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

（4）調用 clear() 方法或者 compact() 方法

當向 buffer 寫數(shù)據(jù)時，buffer 會記錄下寫了多少數(shù)據(jù)。一旦要讀數(shù)據(jù)，需要通過 flip() 方法將 buffer 從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取到之前寫入到 buffer 的所有數(shù)據(jù)。一旦讀完了所有的數(shù)據(jù)，就需要清空緩沖區(qū)，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區(qū)：調用 clear() 或者 compact() 方法。clear() 方法會清空整個緩沖區(qū)。compact() 方法只會清除已經(jīng)度過的數(shù)據(jù)。任何未讀取的數(shù)據(jù)都被移動到了緩沖區(qū)的起始處，新寫的數(shù)據(jù)將放到緩沖區(qū)未讀數(shù)據(jù)的后面。

2、使用 Buffer 的例子

@Test
public void buffer01() throws IOException {
? ? // FileChannel
? ? String pathName = "/Users/zhengsh/sourcecode.io/zhengsh-vvip/nio/src/main/resources/01.txt";
? ? RandomAccessFile accessFile =
? ? ? ? new RandomAccessFile(pathName, "rw");
? ? FileChannel channel = accessFile.getChannel();

? ? // 創(chuàng)建 buffer , 大小
? ? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

? ? // 讀
? ? int bytesRead = channel.read(buffer);
? ? while (bytesRead != -1) {
? ? ? ? // read 模式
? ? ? ? buffer.flip();

? ? ? ? while (buffer.hasRemaining()) {
? ? ? ? ? ? System.out.println((char) buffer.get());
? ? ? ? }
? ? ? ? buffer.clear();

? ? ? ? channel.read(buffer);
? ? }

? ? accessFile.close();
}


@Test
public void buffer02() {

? ? // 創(chuàng)建 buffer
? ? IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);
? ? for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
? ? ? ? int j = 2 * (i + 1);
? ? ? ? buffer.put(j);
? ? }

? ? // 重置緩沖區(qū)
? ? buffer.flip();

? ? while (buffer.hasRemaining()) {
? ? ? ? int value = buffer.get();
? ? ? ? System.out.println(value + " ?");
? ? }
}

三、Buffer 的 capactity、posittion 和limit

為了理解 Buffer 的工作原理，需要熟悉它的三個屬性：

• capacity
• ponstition
• limit

position 和 limit 的含義取決于 Buffer 處在讀模式還是寫模式。不管 buffer 處于什么模式，capactity 的含義總是一樣的。

這里有一個關于 capacity, postition 和 limit 在讀模式中的說明:

(1) capactiy

作為一個內存塊，Buffer 有一個固定的大小值，也叫做 “capactiy” . 你只能往里面寫 capacity 個 byte

long、 char等類型。一旦 buffer 滿了，需要將其清空（通過讀數(shù)據(jù)或者清除數(shù)據(jù)）才能繼續(xù)寫數(shù)據(jù)往里寫數(shù)據(jù)。

(2) postition

1）寫數(shù)據(jù)到 Bufer 中時，position 表示寫入數(shù)據(jù)的當前位置，position 的初始值為 0 。當一個 byte,long,等數(shù)據(jù)寫入到 buffer 后，position 會向下移動到下一個可插入的元素的 buffer 但愿。position 最大可為 capacity -1 （因為 position 的初始值為 0）

2）讀數(shù)據(jù)到 Buffer 中時，position 表示讀數(shù)據(jù)的當前位置，如 position = 2 時表示已經(jīng)開始讀了 3 個 byte， 或者從第三個 byte 開始讀取，通過 ByteBuffer.flip() 切換到讀模式 position 會被重置為 0， 當 Buffer 從 position 讀入數(shù)據(jù)后，position 會下移到下一個可讀入的數(shù)據(jù) Buffer 單元。

(3) limit

1）寫數(shù)據(jù)時， limit 表示可以對 Buffer 最多寫入多少個數(shù)據(jù)。寫模式下，limit 等于 Buffer 的 capactiy

2）讀數(shù)據(jù)時， limit 表示 Buffer 里有多少可讀數(shù)據(jù)（not null 的數(shù)據(jù)），因此能讀取到之前寫入的所有數(shù)據(jù)（limit 被設置為已寫數(shù)據(jù)的數(shù)量，這個值在寫模式下就是 position）

四、Buffer 的類型

Java NIO 有一下 Buffer 的類型

• ByteBuffer
• MappedByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

這些 buffer 類型都代表了不同的數(shù)據(jù)類型。換句話說，就是可以通過 char ，short, int, long , float 或者 double 類型來操作緩沖區(qū)的字節(jié)。

五、Buffer 分配和寫數(shù)據(jù)

1、 Buffer 分配

想要獲取一個 Buffer 對象首先要進行分配。每一個 Buffer 類都有一個 allocate 方法。

下面是一個分配 48 字節(jié) capactiy 的 ByteBuffer 的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.alloacte(48);

這是分配一個可存儲 1024 個字符的 CharBuffer:

ByteBuffer buf = ByteBuffer.alloacte(1024);

2、向 buffer 中寫數(shù)據(jù)

寫數(shù)據(jù)到 Buffer 有兩種方式：

• （1）從 channel 寫到 Buffer
• （2）通過 Buffer 的 put 方法寫到 Buffer 里。

從 Channel 寫到 Buffer 的例子

int byteRead = channel.read(buf); // read into buffer

通過 put 方法寫入 buffer 的例子：

buf.put(100);

put 的方法有很多版本，允許你不同的方式把數(shù)據(jù)寫入到 buffer 中，例如，寫到一個指定的位置，或者把字節(jié)數(shù)組寫入到 Buffer .

3、flip() 方法

flip 方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。調用 flip() 方法將會 position 設置為 0 ， 并且將 limt 設置為之前 position 的值。換句話說，position 現(xiàn)在用于標記讀的位置，limit 表示之前寫進了多少個 byte, char 等（現(xiàn)在能讀取多少個 byte, char 等）。

六、從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)到 Channel 中：

（1） 從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)到 Channel

（2）使用 get 方法從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)到 Channnel 到例子：

// read form buffer into channel?
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用 get() 方法從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)的例子：

byte aByte = buf.get();

get 方法中有很多版本，允許你以不同的方式 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)。例如，從指定 position 讀取，或者從 Buffer 中讀取到字節(jié)數(shù)組。

七、Buffer 幾個方法

1、rewind() 方法

Buffer.rewind() 將 position 返回0， 所以你可以重讀 Buffer 中的所有數(shù)據(jù)。limit 保持不變，仍然表示能從 Buffer 中讀取到多少個元素（byte, char 等）。

2、clear() 與 compact() 方法

一旦讀完 Buffer 中的數(shù)據(jù)，需要讓 Buffer 準備好再次被寫入?？梢酝ㄟ^ clear() 或 compact() 方法來完成

如果調用的是 cleanr () 方法，position 兼?zhèn)湓O置為 0 ， limit 被設置成 capactiy 的值。換句話說，Buffer 被清空了。 Buffer 中的數(shù)據(jù)并未清除，只是這些標記高數(shù)我們從哪里開始往 Buffer 中寫數(shù)據(jù)。

如果 Buffer 中有些數(shù)未讀的數(shù)據(jù)，調用 clear() 方法，數(shù)據(jù)將 “被遺忘”，意味著不在有任何標記會告訴你那些數(shù)據(jù)被讀過，那些還沒有。

如果 Buffer 中依然有未讀的數(shù)據(jù)，且后續(xù)還需要這些數(shù)據(jù)，但是此時想要先寫這些數(shù)據(jù)，那么使用 compact() 方法。

compact() 方法將所有未讀的數(shù)據(jù)拷貝到 Buffer 起始處。然后將 position 設置到最后一個未讀元素正后面。 limit 屬性依然像 clear() 方法一樣。設置成 capacity. 現(xiàn)在 Buffer 準備好寫數(shù)據(jù)了，但是不會覆蓋未讀的數(shù)據(jù)。

3、mark() 與 reset() 方法

通過調用 Buffer.mark() 方法，可以標記 Buffer 中的一個特定 position . 之后可以通過調用 Buffer.reset() 方法恢復到這個 position 例如：

buffer.mark();

// call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing ?
buffer.reset(); // set position back to mark

八、緩沖區(qū)操作

1、緩沖區(qū)分片

在 NIO 中除了可以分配或者包裝一個緩沖區(qū)對象外，還可以更具現(xiàn)有的緩沖區(qū)對象來創(chuàng)建一個子緩沖區(qū)，即現(xiàn)有緩沖區(qū)上切出一片來作為一個新的緩沖區(qū)，但現(xiàn)有的緩沖區(qū)與創(chuàng)建的子緩沖區(qū)在底層數(shù)組層面上是數(shù)據(jù)共享的，也就是說，子緩沖區(qū)相當于是現(xiàn)有緩沖區(qū)的一個視圖窗口。調用 slice() 方法可以創(chuàng)建一個子緩沖區(qū)。

// 緩沖區(qū)分片
@Test
public void b01() {
? ? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
? ? // 放入數(shù)據(jù)
? ? for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
? ? ? ? buffer.put((byte) i);
? ? }

? ? // 創(chuàng)建子緩沖區(qū)
? ? buffer.position(3);
? ? buffer.limit(7);
? ? ByteBuffer slice = buffer.slice();

? ? // 改變子緩沖區(qū)中的內容
? ? for (int i = 0; i < slice.capacity(); i++) {
? ? ? ? byte b = slice.get(i);
? ? ? ? b *= 10;
? ? ? ? slice.put(i, b);
? ? }

? ? // 復位
? ? buffer.position(0);
? ? buffer.limit(buffer.capacity());

? ? while (buffer.remaining() > 0) {
? ? ? ? System.out.println(buffer.get());
? ? }
}

輸出結果如下：

2、只讀緩沖區(qū)

只讀緩沖區(qū)非常簡單，可以讀取他們，但是不能向他們寫入數(shù)據(jù)。可以通過調用緩沖區(qū)的 asReadOnlyBufer() 方法，將任何常規(guī)緩沖區(qū)轉換為只讀緩沖區(qū)，這個方法返回一個與原緩沖區(qū)完全相同的緩沖區(qū)，并與原緩沖區(qū)共享數(shù)據(jù)，只不過它是只讀的。如果原緩沖區(qū)的內容發(fā)生了變化，只讀緩沖區(qū)的內容隨之發(fā)生變化：

// 只讀緩沖區(qū)
@Test
public void b02() {
? ? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

? ? // 放入數(shù)據(jù)
? ? for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
? ? ? ? buffer.put((byte) i);
? ? }

? ? // 創(chuàng)建一個只讀緩沖區(qū)
? ? ByteBuffer readOnlyBuf = buffer.asReadOnlyBuffer();
? ? for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
? ? ? ? byte b = buffer.get(i);
? ? ? ? b *= 10;
? ? ? ? buffer.put(i, b);
? ? }

? ? readOnlyBuf.position(0);
? ? readOnlyBuf.limit(readOnlyBuf.capacity());

? ? while (readOnlyBuf.remaining() > 0) {
? ? ? ? System.out.println(readOnlyBuf.get());
? ? }
}

3、直接緩沖區(qū)

直接緩沖區(qū)為了加快 I/O 速度，使用一種特殊的方式為其分配內存的緩沖區(qū)， JDK 文檔的描述為：給定一個直接字節(jié)緩沖區(qū)，Java 虛擬機將盡最大努力直接對它執(zhí)行本機 I/O 操作之前（或之后），嘗試避免將緩沖區(qū)的內容拷貝到一個中間緩沖區(qū)中或者從一個中間緩沖區(qū)中拷貝數(shù)據(jù)。要分配直接緩沖區(qū)，需要調 allocatieDirect() 方法，而不是 alloacte() 方法，使用方式與普通緩沖區(qū)并無區(qū)別。

// 直接緩沖區(qū)，文件拷貝
@Test
public void b03() throws IOException {
? ? String filePath = "/xx/01.txt";
? ? FileInputStream inputStream = new FileInputStream(filePath);
? ? FileChannel fileInChannel = inputStream.getChannel();

? ? String outPath = "/xx/02.txt";
? ? FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(outPath);
? ? FileChannel fileOutChannel1 = outputStream.getChannel();

? ? // ?使用 allocateDirect , 而不是 allocate
? ? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

? ? while (true) {
? ? ? ? buffer.clear();
? ? ? ? int r = fileInChannel.read(buffer);
? ? ? ? if (r == -1) {
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? }
? ? ? ? buffer.flip();
? ? ? ? fileOutChannel1.write(buffer);
? ? }
? ? fileInChannel.close();
? ? fileOutChannel1.close();
}

4、內存映射文件 I/O

內存映射文件 I/O 是一種讀和寫文件數(shù)據(jù)的方法，它可以比常規(guī)的基于流或者通道的 I/O 快得多。內存映射 I/O 是通過使文件中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)為內存數(shù)組的內容來完成的，這起初聽起來師傅不過就是為了將整個文件讀取到內容中，但是事實上并不是這樣的。一般來說只有文件實際讀取或者寫入的部分才會映射到內存中。

// 內存映射文件 I/O?
@Test
public void b04() throws IOException {
? ? String filePath = "/xxx/01.txt";
? ? RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(filePath, "rw");
? ? FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();
? ? MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
? ? mappedByteBuffer.put(0, (byte) 97);
? ? mappedByteBuffer.put(1023, (byte) 122);
? ? fileChannel.close();
}

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