前言

在Java NIO中，緩沖區用來臨時存儲數據，可以理解為是I/O操作中數據暫存的中轉站。緩沖區直接為通道(Channel)服務，數據是從通道讀入緩沖區，從緩沖區寫入到通道中的。

緩沖區本質上是一塊可以寫入數據，然後可以從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，並提供了一組方法，用來方便的訪問這塊內存。

正文

Buffer的類型

Java NIO提供以下幾種Buffer類型：

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

這些Buffer類型代表了Java中7種基本數據類型。換句話說，就是可以通過byte、char、short、int、long、float或double類型來操作緩沖區中的數據。

Buffer的基本用法

使用Buffer讀寫數據一般遵循以下四個步驟：

1. 寫入數據到Buffer中；
2. 調用Buffer的flip()方法；
3. 從Buffer中讀取數據；
4. 調用clear()方法或者compact()方法。

當向Buffer寫入數據時，Buffer會記錄下寫了多少數據。一旦要讀取數據，需要通過flip()方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取之前寫入到Buffer的所有數據。

一旦讀完了所有的數據，就需要清空緩沖區

• clear()方法：清空整個緩沖區，包括已讀和未讀的數據。

• compact()方法：只會清空已讀的數據，未讀的數據都被移到緩沖區的起始處，新寫入的數據將放到緩沖區未讀數據的後面。

下面給出一個ByteBuffer的簡單使用示例，其他緩沖區API的使用類似：

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public static void testReadFromBuffer() {
    try {
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("D://test.txt", "rw");
        FileChannel fileChannel = file.getChannel();
        //創建容量為10byte的buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 不斷地寫入緩沖區，寫一次讀一次
        while (fileChannel.read(byteBuffer) != -1) {
            // 設置buffer切換模式為讀模式
            byteBuffer.flip();
            while (byteBuffer.hasRemaining()) {
                // 每次讀取1byte，也就是一個字節
                System.out.print((char) byteBuffer.get());
            }
            // 清空整個緩存區，準備下次寫入
            byteBuffer.clear();
        }
        fileChannel.close();
    } catch (FileNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
 

Buffer的重要屬性

為了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的4個核心屬性：

其中，position和limit的含義取決於Buffer處在讀模式還是寫模式。不管Buffer處在什麽模式，capacity的含義總是一樣的。

capacity

作為一個內存塊，Buffer有一個固定的大小值，也叫capacity。你最多只能寫入capacity個的byte、char、int、long等類型數據。一旦Buffer滿了，需要將其清空（通過讀數據或者清除數據）才能繼續往裏寫數據。

position

• 寫入數據時：

當你寫數據到Buffer中時，position表示下一個可寫入的數據的位置。position的初始位置為0，當一個byte、char、int、long等數據寫到Buffer後，position會向前移動到下一個可插入數據的Buffer單元。position最大可為capacity – 1。

• 讀取數據時：

當從Buffer讀取數據時，position表示下一個可讀取的數據的位置。當將Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置為0。當從Buffer的position處讀取數據時，position向前移動到下一個可讀的位置。

limit

• 寫入數據時：

在寫模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer裏寫多少數據。寫模式下，limit等於Buffer的capacity，也就是內存塊的最大容量。

• 寫入數據時：

當切換Buffer到讀模式時，limit會被設置成寫模式下的position值，limit表示你最多能讀到多少數據。limit被設置成已寫數據的數量，這個值在寫模式下就是position。

Buffer的方法

Buffer的分配

要想獲得一個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10字節capacity的ByteBuffer的例子：

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ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);

這是分配一個可存儲1024個字符的CharBuffer：

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CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中寫入數據

寫數據到Buffer有兩種方式：

• 從Channel將數據寫入Buffer。

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int bytesRead = channel.read(buffer);

• 通過Buffer的put()方法寫到Buffer中。

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buffer.put(1);

put()在ByteBuffer中為抽象方法，在ByteBuffer有很多的重載，由其子類HeapByteBuffer和DirectByteBuffer實現。

寫模式切換為讀模式

flip()方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。調用flip()方法會將position設回0，並將limit設置成之前position的值。

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buffer.flip();

查看flip()方法的源碼確認：

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

從Buffer從讀取數據

從Buffer中讀取數據也有兩種方式：

• 從Buffer讀取數據到Channel中。

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int bytesWritten = channel.write(buf);

• 通過Buffer的get()方法從Buffer中讀取數據。

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byte b = buffer.get();

get()方法和put()一樣有很多的重載，允許以不同的方式從Buffer中讀取數據。例如：從指定position讀取，或者從Buffer中讀取數據到字節數組。

clear()和compact()方法

一旦讀完Buffer中的數據，需要讓Buffer準備好再次被寫入。前面也說了，可以通過clear()或compact()方法來完成。

clear()方法

如果調用的是clear()方法，position將被設回0，limit被設置成capacity的值。

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buffer.clear();

查看clear()方法的源碼確認：

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

換句話說，Buffer被清空了。Buffer中的數據並未清除，只是這些標記告訴我們可以從哪裏開始往Buffer裏寫數據。

compact()方法

如果調用的是compact()方法，所有的未讀數據都將被拷貝到Buffer的起始位置，position會設置為最後一個未讀元素的後面。limit()方法和clear()方法一樣，會被設置為capacity的大小。

查看compact()方法的實現，此方法在ByteBuffer中為抽象方法，查看其子類HeapByteBuffer的實現：

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public ByteBuffer compact() {
    // 將未讀的數據往前移動
    System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    // 設置postion為最後一個未讀數據後面的位置
    position(remaining());
    // 設置limit為最大的容量
    limit(capacity());
    // 清除標記位
    discardMark();
    return this;
}

現在Buffer準備好寫數據了，但是不會覆蓋未讀的數據。

mark()與reset()方法

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

mark()方法

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buffer.mark();

查看mark()方法的源碼，mark變量被設置為position的值：

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public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}

reset()方法

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buffer.reset();

查看mark()方法的源碼，position變量被設置為之前的mark的值：

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

equals()與compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法比較兩個Buffer。

equals()方法

當同時滿足下列條件時，表示兩個Buffer相等：

1. 有相同的類型(byte、char、int和long類型等)。
2. Buffer中剩余的byte、char等元素的個數相等。
3. Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

equals()方法比較的實際是Buffer中的剩余元素是否相等。它只是比較Buffer的一部分，不是每一個在它裏面的元素都比較。

compareTo()方法

compareTo()方法比較兩個Buffer的剩余元素(byte、char等)。
當滿足下列條件時，則認為一個Buffer小於另一個Buffer。

1. 第一個不相等的元素小於另一個Buffer中對應的元素。
2. 所有元素都相等，但第一個Buffer比另一個先耗盡(第一個Buffer的元素個數比另一個少)。

總結

這裏只是對Buffer進行了入門的介紹，具體深入學習還需要查看各種緩沖區以及相關的具體實現。

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Java NIO系列(二) - Buffer