阿里P8大佬通宵整理!解锁Java NIO的ByteBuffer全部使用姿势!

2021-12-07 09:13:58 浏览数 (1)

NIO中的Buffer用于和NIO Channel交互。 数据是从Channel读入Buffer，从Buffer写入Channel。

Buffer本质上是块可以写入数据，然后可从中读数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

NIO数据传输基于buffer（java.nio.Buffer及相关类）。这些类表示连续的内存范围，以及少量的数据传输操作。尽管从理论上讲，这些是通用数据结构，但实现可以选择用于对齐或分页特性的内存，而这些内存在Java中是无法访问的。 通常，这将用于允许缓冲区内容占用os用于其本地I/O操作的相同物理内存，从而允许最直接的传输机制，并消除了任何其他复制的需要。在大多数os中，只要特定的内存区域具有正确的属性，就可以在不使用CPU情况下进行传输。为了支持这些目标，有意限制了NIO Buffer的功能。

除布尔值外，其他所有Java基本类型都有缓冲区类，布尔型可以与字节缓冲区共享内存并允许对底层字节进行任意解释。

1 基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循如下步骤：

  1. 写数据到Buffer
  2. 调用buffer.flip()
  3. 从Buffer中读数据
  4. 调用clear()或compact()

当向buffer写数据时，buffer会记录写了多少数据。一旦要读取数据，需通过flip()将Buffer从写模式切到读模式。 读模式下，可读之前写到buffer的所有数据。

一旦读完数据，就需清空缓冲区，让它可以再次被写入。 有两种方式能清空缓冲区：

  • clear() 会清空整个缓冲区
  • compact() 只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

2 使用Buffer的案例

代码语言：javascript复制
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

// 创建容量为48字节的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
// 读进buffer 从该Channel中将字节序列读取到给定buffer
int bytesRead = inChannel.read(buf);
// 什么时候会读到-1呢？
// 对于服务器端，当客户端调用了channel.close()关闭连接时，这时服务器端返回的读取数是-1，表示已到末尾
// 那么此时需要把对应SelectionKey给cancel掉，表示selector不再监听这个channel上的读事件，并关闭channel
while (bytesRead != -1) {
  // make buffer ready for read	
  buf.flip();
  while(buf.hasRemaining()) {
  	  // read 1 byte at a time
  	  // 在从channel往buffer中读入后，使用byteBuffer.get()获取时，不可重复调用，因为get()会移动position
  	  // 使得多次调用get()获取的内容是不同的
      System.out.print((char) buf.get());
  }
  // make buffer ready for writing	
  buf.clear();
  bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

3 Buffer的capacity、position和limit

3.1 capacity

作为一个内存块，Buffer有个固定大小，即capacity。 你只能往里写capacity个byte、long，char等。一旦Buffer满，需将其清空（通过读或清除数据）才能继续往里写数据。

3.2 position

取决于Buffer处在读还是写模式：

  • 写数据到Buffer时，position表示当前位置。初始的position值为0，当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。所以position最大可为capacity–1。
  • 读数据时，也是从某特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

3.3 limit

  • 写模式 最多能往Buffer写多少数据，所以此时limit=capacity。
  • 读模式 最多能读到多少数据。

因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。即你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）。

4 Buffer的类型

  • Java NIO Buffer有如下类型

这些Buffer类型代表了不同的数据类型，即可通过这些类型来操作缓冲区中的字节。

5 Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每个Buffer类都有一个allocate方法。

allocate

分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

代码语言：javascript复制
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

代码语言：javascript复制
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

allocateDirect

使用allocate创建的缓冲区，并不是一下就分配给缓冲区capacity大小的空间，而是根据缓冲区中存储数据的情况来动态分配缓冲区的大小（底层采用堆数据结构管理缓冲区大小），因此，这个capacity可以是一个很大的值，如1024*1024（1M）。

使用allocateDirect可一次性分配capacity大小的连续字节空间。通过allocateDirect方法来创建具有连续空间的ByteBuffer对象虽然可以在一定程度上提高效率，但这种方式并不是平台独立的。而且allocateDirect方法需要较长的时间来分配内存空间，在释放空间时也较慢。因此，慎用allocateDirect。

6 向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

read

从Channel写到Buffer

代码语言：javascript复制
// read into buffer.
int bytesRead = inChannel.read(buf);

put

通过Buffer的put()方法写到Buffer

代码语言：javascript复制
buf.put(127);

put(int index, byte b)方法不会移动position，但是put(byte b)会移动position。

7 从Buffer读数据

两种方式：

  1. 从Buffer读取数据到Channel。
代码语言：javascript复制
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
  1. 使用get()方法从Buffer中读取数据。
代码语言：javascript复制
byte aByte = buf.get();

get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。

8 核心 API

flip()

将Buffer从写模式切换到读模式

  • limit置成之前的position值 在写操作完成后需要进行读操作时，需要将limit设置为position标记有写到哪了
  • position置0 而将position 重新移到0，这样就可以读取到所有的写入数据

所以读模式下的角色转变：

  • position现在用于标记读的位置（从0开始）
  • limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等

rewind()

position置0：可重读Buffer中的所有数据 limit不变，仍表示能从Buffer中读取多少个元素

clear() && compact()

读完Buffer中的数据后，需要让Buffer准备再次被写入。 这通过clear()或compact()完成。

clear()

position置0 limit置成 capacity 的值 即 Buffer 被清空。

Buffer中的数据并未清除，只是这些标识位告诉我们可以从哪开始往Buffer写数据。

若Buffer中尚有未读数据，调用clear()，数据将“被遗忘”，即不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。 若Buffer中仍有未读的数据且后续还想读这些数据，但你需要先写一些数据，那么使用compact()。

compact()

将所有未读数据拷贝到Buffer起始处。

  • 然后将position设到最后一个未读元素正后面
  • limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。

现在Buffer准备好写数据了，但不会覆盖未读数据。

ByteBuf 的状态图

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如：

代码语言：javascript复制
buffer.mark();
// call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
buffer.reset();

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

  1. 有相同的类型（byte、char、int等）
  2. Buffer中剩余的byte、char等的个数相等
  3. Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

  1. 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素
  2. 所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

剩余元素是从 position到limit之间的元素。

参考

  • http://tutorials.jenkov.com/java-nio/buffers.html
  • 《Java的事件驱动网络编程》
编程算法 自动驾驶 数据结构 java

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