小師妹學JavaIO之:Buffer和Buff

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目錄

  • 簡介
  • Buffer是什麼
  • Buffer進階
  • 創建Buffer
  • Direct VS non-Direct
  • Buffer的日常操作
    • 向Buffer寫數據
    • 從Buffer讀數據
    • rewind Buffer
    • Compact Buffer
    • duplicate Buffer
  • 總結

簡介

小師妹在學習NIO的路上越走越遠,唯一能夠幫到她的就是在她需要的時候給她以全力的支持。什麼都不說了,今天介紹的是NIO的基礎Buffer。老鐵給我上個Buff。

Buffer是什麼

小師妹:F師兄,這個Buffer是我們縱橫王者峽谷中那句:老鐵給我加個Buff的意思嗎?

當然不是了,此Buffer非彼Buff,Buffer是NIO的基礎,沒有Buffer就沒有NIO,沒有Buffer就沒有今天的java。

因為NIO是按Block來讀取數據的,這個一個Block就可以看做是一個Buffer。我們在Buffer中存儲要讀取的數據和要寫入的數據,通過Buffer來提高讀取和寫入的效率。

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還記得java對象的底層存儲單位是什麼嗎?

小師妹:這個我知道,java對象的底層存儲單位是字節Byte。

對,我們看下Buffer的繼承圖:

Buffer是一個接口,它下面有諸多實現,包括最基本的ByteBuffer和其他的基本類型封裝的其他Buffer。

小師妹:F師兄,有ByteBuffer不就夠了嗎?還要其他的類型Buffer做什麼?

小師妹,山珍再好,也有吃膩的時候,偶爾也要換個蘿蔔白菜啥的,你以為乾隆下江南都幹了些啥?

ByteBuffer雖然好用,但是它畢竟是最小的單位,在它之上我們還有Char,int,Double,Short等等基礎類型,為了簡單起見,我們也給他們都搞一套Buffer。

Buffer進階

小師妹:F師兄,既然Buffer是這些基礎類型的集合,為什麼不直接用結合來表示呢?給他們封裝成一個對象,好像有點多餘。

我們既然在面向對象的世界,從表面來看自然是使用Object比較合乎情理,從底層的本質上看,這些封裝的Buffer包含了一些額外的元數據信息,並且還提供了一些意想不到的功能。

上圖列出了Buffer中的幾個關鍵的概念,分別是Capacity,Limit,Position和Mark。Buffer底層的本質是數組,我們以ByteBuffer為例,它的底層是:

final byte[] hb; 
  • Capacity表示的是該Buffer能夠承載元素的最大數目,這個是在Buffer創建初期就設置的,不可以被改變。
  • Limit表示的Buffer中可以被訪問的元素個數,也就是說Buffer中存活的元素個數。
  • Position表示的是下一個可以被訪問元素的index,可以通過put和get方法進行自動更新。
  • Mark表示的是歷史index,當我們調用mark方法的時候,會把設置Mark為當前的position,通過調用reset方法把Mark的值恢復到position中。

創建Buffer

小師妹:F師兄呀,這麼多Buffer創建起來是不是很麻煩?有沒有什麼快捷的使用辦法?

一般來說創建Buffer有兩種方法,一種叫做allocate,一種叫做wrap。

public void createBuffer(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        log.info("{}",intBuffer);
        log.info("{}",intBuffer.hasArray());
        int[] intArray=new int[10];
        IntBuffer intBuffer2= IntBuffer.wrap(intArray);
        log.info("{}",intBuffer2);
        IntBuffer intBuffer3= IntBuffer.wrap(intArray,2,5);
        log.info("{}",intBuffer3);
        intBuffer3.clear();
        log.info("{}",intBuffer3);
        log.info("{}",intBuffer3.hasArray());
    }

allocate可以為Buffer分配一個空間,wrap同樣為Buffer分配一個空間,不同的是這個空間背後的數組是自定義的,wrap還支持三個參數的方法,後面兩個參數分別是offset和length。

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - true
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=2 lim=7 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - true

hasArray用來判斷該Buffer的底層是不是數組實現的,可以看到,不管是wrap還是allocate,其底層都是數組。

需要注意的一點,最後,我們調用了clear方法,clear方法調用之後,我們發現Buffer的position和limit都被重置了。這說明wrap的三個參數方法設定的只是初始值,可以被重置。

Direct VS non-Direct

小師妹:F師兄,你說了兩種創建Buffer的方法,但是兩種Buffer的後台都是數組,難道還有非數組的Buffer嗎?

自然是有的,但是只有ByteBuffer有。ByteBuffer有一個allocateDirect方法,可以分配Direct Buffer。

小師妹:Direct和非Direct有什麼區別呢?

Direct Buffer就是說,不需要在用戶空間再複製拷貝一份數據,直接在虛擬地址映射空間中進行操作。這叫Direct。這樣做的好處就是快。缺點就是在分配和銷毀的時候會佔用更多的資源,並且因為Direct Buffer不在用戶空間之內,所以也不受垃圾回收機制的管轄。

所以通常來說只有在數據量比較大,生命周期比較長的數據來使用Direct Buffer。

看下代碼:

public void createByteBuffer() throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer= ByteBuffer.allocateDirect(10);
        log.info("{}",byteBuffer);
        log.info("{}",byteBuffer.hasArray());
        log.info("{}",byteBuffer.isDirect());

        try (RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("src/main/resources/www.flydean.com", "r");
             FileChannel inChannel = aFile.getChannel()) {
            MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
            log.info("{}",buffer);
            log.info("{}",buffer.hasArray());
            log.info("{}",buffer.isDirect());
        }
    }

除了allocateDirect,使用FileChannel的map方法也可以得到一個Direct的MappedByteBuffer。

上面的例子輸出結果:

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - false
INFO com.flydean.BufferUsage - true
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.DirectByteBufferR[pos=0 lim=0 cap=0]
INFO com.flydean.BufferUsage - false
INFO com.flydean.BufferUsage - true

Buffer的日常操作

小師妹:F師兄,看起來Buffer確實有那麼一點複雜,那麼Buffer都有哪些操作呢?

Buffer的操作有很多,下面我們一一來講解。

向Buffer寫數據

向Buffer寫數據可以調用Buffer的put方法:

public void putBuffer(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer.array());
        intBuffer.put(0,4);
        log.info("{}",intBuffer.array());
    }

因為put方法返回的還是一個IntBuffer類,所以Buffer的put方法可以像Stream那樣連寫。

同時,我們還可以指定put在什麼位置。上面的代碼輸出:

INFO com.flydean.BufferUsage - [1, 2, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
INFO com.flydean.BufferUsage - [4, 2, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

從Buffer讀數據

讀數據使用get方法,但是在get方法之前我們需要調用flip方法。

flip方法是做什麼用的呢?上面講到Buffer有個position和limit字段,position會隨着get或者put的方法自動指向後面一個元素,而limit表示的是該Buffer中有多少可用元素。

如果我們要讀取Buffer的值則會從positon開始到limit結束:

public void getBuffer(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        intBuffer.flip();
        while (intBuffer.hasRemaining()) {
            log.info("{}",intBuffer.get());
        }
        intBuffer.clear();
    }

可以通過hasRemaining來判斷是否還有下一個元素。通過調用clear來清除Buffer,以供下次使用。

rewind Buffer

rewind和flip很類似,不同之處在於rewind不會改變limit的值,只會將position重置為0。

public void rewindBuffer(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer);
        intBuffer.rewind();
        log.info("{}",intBuffer);
    }

上面的結果輸出:

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]

Compact Buffer

Buffer還有一個compact方法,顧名思義compact就是壓縮的意思,就是把Buffer從當前position到limit的值賦值到position為0的位置:

public void useCompact(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        intBuffer.flip();
        log.info("{}",intBuffer);
        intBuffer.get();
        intBuffer.compact();
        log.info("{}",intBuffer);
        log.info("{}",intBuffer.array());
    }

上面代碼輸出:

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=3 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=2 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - [2, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

duplicate Buffer

最後我們講一下複製Buffer,有三種方法,duplicate,asReadOnlyBuffer,和slice。

duplicate就是拷貝原Buffer的position,limit和mark,它和原Buffer是共享原始數據的。所以修改了duplicate之後的Buffer也會同時修改原Buffer。

如果用asReadOnlyBuffer就不允許拷貝之後的Buffer進行修改。

slice也是readOnly的,不過它拷貝的是從原Buffer的position到limit-position之間的部分。

public void duplicateBuffer(){
        IntBuffer intBuffer= IntBuffer.allocate(10);
        intBuffer.put(1).put(2).put(3);
        log.info("{}",intBuffer);
        IntBuffer duplicateBuffer=intBuffer.duplicate();
        log.info("{}",duplicateBuffer);
        IntBuffer readOnlyBuffer=intBuffer.asReadOnlyBuffer();
        log.info("{}",readOnlyBuffer);
        IntBuffer sliceBuffer=intBuffer.slice();
        log.info("{}",sliceBuffer);
    }

輸出結果:

INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBufferR[pos=3 lim=10 cap=10]
INFO com.flydean.BufferUsage - java.nio.HeapIntBuffer[pos=0 lim=7 cap=7]

總結

今天給小師妹介紹了Buffer的原理和基本操作。

本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-io-nio

本文作者:flydean程序那些事

本文鏈接:http://www.flydean.com/java-io-nio-buffer/

本文來源:flydean的博客

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