Buffer是Java NIO中對于緩沖區(qū)的封裝。在Java BIO中，所有的讀寫API，都是直接使用byte數(shù)組作為緩沖區(qū)的，簡單直接。但是在Java NIO中，緩沖區(qū)這一概念變得復雜，可能是對應Java堆中的一塊內(nèi)存，也可能是對應本地內(nèi)存中的一塊內(nèi)存。而byte數(shù)組只能用來指定Java堆中的一塊內(nèi)存，所以Java NIO中設計了一個新的緩沖區(qū)抽象，涵蓋了不同類型緩沖區(qū)，這個抽象就是Buffer。

Buffer

Buffer是Java NIO中對于緩沖區(qū)的抽象。是一個用于存儲特定基本數(shù)據(jù)類型的容器。Buffer是特定基本數(shù)據(jù)類型的線性有限序列。

Java有8中基本類型：byte,short,int,long,float,double,char,boolean，除了boolean類型外，其他的類型都有對應的Buffer具體實現(xiàn)：

Buffer抽象類定義了所有類型的Buffer都有的屬性和操作，屬性如下：

• capacity：緩沖區(qū)的容量，在緩沖區(qū)建立后就不能改變
• limit：表示第一個不能讀寫的元素位置，limit不會大于capacity
• position：表示下一個要讀寫的元素位置，position不會大于limit
• mark：用于暫存一個元素位置，和書簽一樣，用于后續(xù)操作

所有的Buffer操作都圍繞這些屬性進行。這些屬性滿足一個不變式：0<=mark<=position<=limit<=capacity。

新建的Buffer這些屬性的取值為：

• position=0
• limit=capacity=用戶設置的容量
• mark=-1

直接看定義比較抽象，可以看一下示意圖，下圖是一個容量為10的Buffer：

ByteBuffer的具體實現(xiàn)

所有Buffer實現(xiàn)中，最重要的實現(xiàn)是ByteBuffer，因為操作系統(tǒng)中所有的IO操作都是對字節(jié)的操作。當我們需要從字節(jié)緩沖區(qū)中讀取別的數(shù)據(jù)類型才需要使用其他具體類型的Buffer實現(xiàn)。

ByteBuffer也是一個抽象類，具體的實現(xiàn)有HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。分別對應Java堆緩沖區(qū)與堆外內(nèi)存緩沖區(qū)。Java堆緩沖區(qū)本質上就是byte數(shù)組，所以實現(xiàn)會比較簡單。而堆外內(nèi)存涉及到JNI代碼實現(xiàn)，較為復雜，本次我們以HeapByteBuffer為例來分析Buffer的相關操作，后續(xù)專門分析DirectByteBuffer。

ByteBuffer的類圖如下：

讀寫B(tài)uffer

Buffer作為緩沖區(qū)，最主要的作用是用于傳遞數(shù)據(jù)。Buffer提供了一系列的讀取與寫入操作。因為不同類型的Buffer讀寫的類型不同，所以具體的方法定義是定義在Buffer實現(xiàn)類中的。與讀寫相關的API如下：

byte get()
byte get(int index)
ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length)
ByteBuffer get(byte[] dst)

ByteBuffer put(byte b)
ByteBuffer put(int index, byte b)
ByteBuffer put(ByteBuffer src) 
ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length)

Buffer的讀寫操作可以按照兩種維度分類：

• 單個/批量：
  • 單個：一次讀寫一個字節(jié)
  • 批量：一次讀寫多個字節(jié)
• 相對/絕對：
  • 相對：從Buffer維護的position位置開始讀寫，讀寫時position會隨之變化
  • 絕對：直接指定讀寫的位置。指定index的API就是絕對API

接著我們來看看這些函數(shù)在HeapByteBuffer中是如何實現(xiàn)的：

final byte[] hb;    // 作為緩沖區(qū)的byte數(shù)組              
final int offset;   // 指定緩沖區(qū)的起始位置

public byte get() {
    // get操作就是直接從數(shù)組中獲取數(shù)據(jù)
    return hb[ix(nextGetIndex())];
}

public byte get(int i) {
    // 從指定位置獲取數(shù)據(jù)，是絕對操作，只需檢查下標是否合法
    return hb[ix(checkIndex(i))];
}

// 獲取下一個要讀取的元素的下標
// position的定義就是下一個要讀寫的元素位置，
// 所以這里是返回position的當前值，然后再對position進行加一操作
final int nextGetIndex() {                          // package-private
    if (position >= limit)
        throw new BufferUnderflowException();
    return position++;
}

// 因為支持偏移量，所以算出來的下標還需要加上偏移量
protected int ix(int i) {
    return i + offset;
}

單字節(jié)put與get邏輯一樣�？匆幌屡�量get是如何實現(xiàn)的：

public ByteBuffer get(byte[] dst) {
    return get(dst, 0, dst.length);
}

public ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length) {
    // 檢查參數(shù)是否越界
    checkBounds(offset, length, dst.length);
    // 檢查要獲取的長度是否大于Buffer中剩余的數(shù)據(jù)長度
    if (length > remaining())
        throw new BufferUnderflowException();
    // 調(diào)用System.arraycopy進行數(shù)組內(nèi)容拷貝
    System.arraycopy(hb, ix(position()), dst, offset, length);
    // 更新position
    position(position() + length);
    return this;
}

可以看出，HeapByteBuffer是封裝了對byte數(shù)組的簡單操作。對緩沖區(qū)的寫入和讀取本質上是對數(shù)組的寫入和讀取。使用HeapByteBuffer的好處是我們不用做各種參數(shù)校驗，也不需要另外維護數(shù)組當前讀寫位置的變量了。

同時我們可以看到，Buffer中對于position的操作沒有使用鎖進行保護，所以Buffer不是線程安全的。

Buffer的模式

雖然JDK的Java Doc并沒有提到Buffer有模式，但是Buffer提供了flip等操作用于切換Buffer的工作模式。在正確使用Buffer時，一定要注意Buffer的當前工作模式。否則會導致數(shù)據(jù)讀寫不符合你的預期。

Buffer有兩種工作模式，一種是接收數(shù)據(jù)模式，一種是輸出數(shù)據(jù)模式。

新建的Buffer處于接收數(shù)據(jù)的模式，可以向Buffer放入數(shù)據(jù)，放入一個對應基本類型的數(shù)據(jù)后，position加一，如果position已經(jīng)等于limit了還進行put操作，則會拋出BufferOverflowException異常。

這種模式的Buffer可以用于Channel的read操作緩沖區(qū)，或者是用于相對put操作。

比如向一個接受數(shù)據(jù)模式的Buffer put5個byte后的示例圖：

因為Buffer的設計是讀寫的位置變量都使用position這個變量，所以如果要從Buffer中讀取數(shù)據(jù)，要切換Buffer到輸出數(shù)據(jù)模式。Buffer提供了flip方法用于這種切換。

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

切換后的效果圖：

然后就可以從Buffer中讀取數(shù)據(jù)了。每次讀取一個元素，position就會加一，如果position已經(jīng)等于limit還進行讀取，會拋出BufferUnderflowException異常。

可以看出Buffer本身沒有一個用于存儲模式的變量，模式的切換只是position和limit的變換而已。

flip方法只會把Buffer從接收模式切換到輸出模式，如果要從輸出模式切換到接收模式，可以使用compact或者clear方法，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢或者數(shù)據(jù)不要了，使用clear方法，如果已讀的數(shù)據(jù)需要保留，同時需要切換到接收數(shù)據(jù)模式，使用compat方法。

// 壓縮Buffer，去掉已經(jīng)被讀取的數(shù)據(jù)
// 壓縮后的Buffer處于接收數(shù)據(jù)模式
public ByteBuffer compact() {
    System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    position(remaining());
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;
}

// 清空Buffer，去掉所有數(shù)據(jù)(沒有做清理工作，是指修改位置變量)
// 清空后的Buffer處于接收數(shù)據(jù)模式
public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

總結

• Buffer是Java NIO對緩沖區(qū)的抽象
• 除了boolean類型，其他的基本類型都有對應的Buffer實現(xiàn)
• 最常用的Buffer實現(xiàn)是ByteBuffer，具體的實現(xiàn)有HeapByteBuffer和DirectByteBuffer，分別對應Java堆緩沖區(qū)與對外內(nèi)存緩沖區(qū)
• HeapByteBuffer是對byte數(shù)組的封裝，方便使用
• Buffer不是線程安全的
• Buffer有兩種模式一種是接收數(shù)據(jù)模式，一種是輸出數(shù)據(jù)模式。新建的Buffer處于接收數(shù)據(jù)模式，使用flip方法可以切換Buffer到輸出數(shù)據(jù)模式。使用compact或者clear方法可以切換到接收數(shù)據(jù)模式。

參考資料

• 堆外內(nèi)存 之 DirectByteBuffer 詳解 – 簡書

標簽： 安全 代碼

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