【從入門到放棄-Java】併發編程-NIO-Buffer

前言

上篇【從入門到放棄-Java】併發編程-NIO-Channel中我們學習到channel是雙向通道，數據通過channel在實體（文件、socket）和緩衝區（buffer）中可以雙向傳輸。

本文我們就來學習下buffer

簡介

buffer即緩衝區，實際上是一塊內存，可以用來寫入、讀取數據。是一個線性的、大小有限的、順序承載基礎數據類型的內存塊。

buffer有三個重要的屬性：

• capacity：緩衝池大小，是不可變的。當buffer寫滿時，需要先清空才能繼續寫入。
• limit：是buffer中不可以被讀或者寫的第一個元素的位置，limit的大小永遠不會超過capacity（在寫模式下，limit等於capacity）
• position：是buffer中可以被讀或者寫的第一個元素的位置，position的大小永遠不會超過limit

除了boolean外，每一個基礎數據類型都有對應的buffer。如：ByteBuffer、CharBuffer、LongBuffer等

buffer不是線程安全的，如果要在多線程中使用 需要加鎖控制

接下來以ByteBuffer爲例開始學習。

ByteBuffer

allocateDirect

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    //會創建一個容量大小爲capacity的DirectByteBuffer（ByteBuffer的子類）
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

allocate

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw createCapacityException(capacity);
    //會創建一個容量大小爲capacity的HeapByteBuffer（ByteBuffer的子類）
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

HeapByteBuffer和DirectByteBuffer的區別：

• DirectByteBuffer是直接調用native方法在本機os::malloc()創建堆外內存；HeapByteBuffer是直接在jvm的堆中分配內存。
• 當buffer中的數據和磁盤、網絡等的交互都在操作系統的內核中發生時，使用DirectByteBuffer能避免從內核態->用戶態->內核態的切換開銷，所有的處理都在內核中進行，性能會比較好
• 當頻繁創建操作數據量比較小的buffer時，使用HeapByteBuffer在jvm堆中分配內存能抵消掉使用DirectByteBuffer帶來的好處。

wrap

public static ByteBuffer wrap(byte[] array,
                                    int offset, int length)
{
    try {
        return new HeapByteBuffer(array, offset, length);
    } catch (IllegalArgumentException x) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
}

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
        return wrap(array, 0, array.length);
    }

將byte數組包裝成一個ByteBuffer

讀數據

• 使用get方法從Buffer中讀取數據
• 從Buffer中讀取數據到Channel即：Channel::write() (從buffer中讀取數據寫入到資源中，所以是write)

寫數據

• 使用put方法直接設置Buffer中的數據
• 從Channel中讀取數據到Buffer即：Channel::read() (從資源中讀取數據寫入到buffer中，所以是read)

position

//獲取buffer中當前position的位置
public final int position() {
    return position;
}

//設置buffer的position爲newPosition，注意newPosition要大於0且小於limit，如果remark大於newPosition則設置爲-1
public Buffer position(int newPosition) {
    if (newPosition > limit | newPosition < 0)
         throw createPositionException(newPosition);
     position = newPosition;
     if (mark > position) mark = -1;
     return this;
}

limit

//獲取buffer中當前limit的位置
public final int limit() {
    return limit;
}

//設置buffer的limit爲newLimit，注意newLimit要大於0且小於capacity。如果position大於newLimit這設置爲newLimit，如果remark大於newLimit則設置爲-1
public Buffer limit(int newLimit) {
    if (newLimit > capacity | newLimit < 0)
        throw createLimitException(newLimit);
    limit = newLimit;
    if (position > limit) position = limit;
    if (mark > limit) mark = -1;
    return this;
}

mark

public Buffer mark() {
    //標記mark爲當前position
    mark = position;
    return this;
}

將當前位置做標記，在使用reset方法時，可以回到當前mark的位置

reset

public Buffer reset() {
    int m = mark;
    if (m < 0)
        throw new InvalidMarkException();
    //設置position爲當前mark
    position = m;
    return this;
}

回到之前設置mark的位置

clear

public Buffer clear() {
    //設置position爲0
    position = 0;
    //limit設置爲capacity大小
    limit = capacity;
    //mark設置爲-1（初始化）
    mark = -1;
    return this;
}

讀取完數據後調用clear，即將buffer邏輯上清空了，可以從0開始寫入數據

flip

public Buffer flip() {
    //limit設置爲當前位置
    limit = position;
    //position設置爲0
    position = 0;
    //mark設置爲-1（初始化）
    mark = -1;
    return this;
}

將buffer從寫模式設置爲讀模式，limit設置爲當前position的位置，即只能讀取limit大小的數據

rewind

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

將position設置爲0，即從頭開始讀取

remaining

public final int remaining() {
    return limit - position;
}

返回buffer中還有多少byte是未讀的

hasRemaining

public final boolean hasRemaining() {
    return position < limit;
}

是否已讀完

compact

public ByteBuffer compact() {
    System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    position(remaining());
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;
}

將position和limit直接的數據copy到byteBuffer的起始處，將已讀數據清空，並將新的position設置爲當前未讀數據的末尾。這樣能避免clear方法會將未讀數據也清空的問題

slice

public ByteBuffer slice() {
    return new HeapByteBufferR(hb,
                                    -1,
                                    0,
                                    this.remaining(),
                                    this.remaining(),
                                    this.position() + offset);
}


ByteBuffer slice(int pos, int lim) {
    assert (pos >= 0);
    assert (pos <= lim);
    int rem = lim - pos;
    return new HeapByteBufferR(hb,
                                    -1,
                                    0,
                                    rem,
                                    rem,
                                    pos + offset);
}

新創建一個ByteBuffer，將緩存區分片，設置一個子緩衝區，實際上內存還是共享的，數據發生改變，兩個緩衝區讀取的數據都會是改變後的。

總結

Buffer最重要的三個屬性：position、limit、capacity。牢記這三個屬性的含義及讀寫切換時，設置值是如何變化的，Buffer的核心知識點就掌握了。

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