Java NIO系列教程（五）Buffer

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。交互图如下：

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。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。缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。

在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

下面是NIO Buffer相关的话题列表：

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

写入数据到Buffer
调用flip()方法
从Buffer中读取数据
调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法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。

下面是一个使用Buffer的例子：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");

    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

    //create buffer with capacity of 48 bytes

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

    int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

    while (bytesRead != -1) {

      buf.flip();  //make buffer ready for read

      while(buf.hasRemaining()){

          System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time

      }

      buf.clear(); //make buffer ready for writing

      bytesRead = inChannel.read(buf);

    }

    aFile.close();

示例2：

下面是一个简单的使用IntBuffer的例子：

package com.dxz.nio;

import java.nio.IntBuffer;

public class TestIntBuffer {

    public static void main(String[] args) {

        // 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量

        // 新缓冲区的当前位置将为零，其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组，其数组偏移量将为零。

        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);  

        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {

            int j = 2 * (i + 1);

            // 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增

            buffer.put(j);

        }  

        // 重设此缓冲区，将限制设置为当前位置，然后将当前位置设置为0

        buffer.flip();  

        // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素

        while (buffer.hasRemaining()) {

            // 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增

            int j = buffer.get();

            System.out.print(j + "  ");

        }  

    }  

}

结果：

2  4  6  8  10  12  14  16

Buffer的capacity,position和limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。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。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

capacity
position
limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明，详细的解释在插图后面。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。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。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时，也是从某个特定位置读。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。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你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。换句话说，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）

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

p<>
如你所见，这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说，就是可以通过char，short，int，long，float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

MappedByteBuffer 有些特别，在涉及它的专门章节中再讲。

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

`1`	`ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);`

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

`1`	`CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);`

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

从Channel写到Buffer。
通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

`1`	`int` `bytesRead = inChannel.read(buf);` `//read into buffer.`

通过put方法写Buffer的例子：

`1`	`buf.put(127);`

put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip英 [flɪp]　美 [flɪp] 及物动词轻弹，轻击; 按（开关）; 快速翻转; 急挥

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

换句话说，position现在用于标记读的位置，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。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

从Buffer读取数据到Channel。
使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：

//read from buffer into channel.

int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

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。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到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，但是不会覆盖未读的数据。

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：

`1`	`buffer.mark();`

2

`3`	`//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.`

4

`5`	`buffer.reset();` `//set position back to mark.`

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

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

如你所见，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()方法

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：

第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素。
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)。

缓冲区分片

　　在NIO中，除了可以分配或者包装一个缓冲区对象外，还可以根据现有的缓冲区对象来创建一个子缓冲区，即在现有缓冲区上切出一片来作为一个新的缓冲区，但现有的缓冲区与创建的子缓冲区在底层数组层面上是数据共享的，也就是说，子缓冲区相当于是现有缓冲区的一个视图窗口。调用slice()方法可以创建一个子缓冲区，让我们通过例子来看一下：

package com.dxz.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferDemo1 {

    static public void main(String args[]) throws Exception {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

        // 缓冲区中的数据0-9

        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {

            buffer.put((byte) i);

        }

        // 创建子缓冲区

        buffer.position(3);

        buffer.limit(7);

        ByteBuffer slice = buffer.slice();

        // 改变子缓冲区的内容

        for (int i = 0; i < slice.capacity(); ++i) {

            byte b = slice.get(i);

            b *= 10;

            slice.put(i, b);

        }

        buffer.position(0);

        buffer.limit(buffer.capacity());

        while (buffer.remaining() > 0) {

            System.out.println(buffer.get());

        }

    }

}

结果：

只读缓冲区

只读缓冲区非常简单，可以读取它们，但是不能向它们写入数据。可以通过调用缓冲区的asReadOnlyBuffer()方法，将任何常规缓冲区转换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区，并与原缓冲区共享数据，只不过它是只读的。如果原缓冲区的内容发生了变化，只读缓冲区的内容也随之发生变化：

package com.dxz.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferDemo2 {

    static public void main(String args[]) throws Exception {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

        // 缓冲区中的数据0-9

        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {

            buffer.put((byte) i);

        }

        // 创建只读缓冲区

        ByteBuffer readonly = buffer.asReadOnlyBuffer();

        // 改变原缓冲区的内容

        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {

            byte b = buffer.get(i);

            b *= 10;

            buffer.put(i, b);

        }

        readonly.position(0);

        readonly.limit(buffer.capacity());

        // 只读缓冲区的内容也随之改变

        while (readonly.remaining() > 0) {

            System.out.println(readonly.get());

        }

    }

}

结果：

　　如果尝试修改只读缓冲区的内容，则会报ReadOnlyBufferException异常。只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个对象的方法时，无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以保证该缓冲区不会被修改。只可以把常规缓冲区转换为只读缓冲区，而不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。

直接缓冲区（DirectByteBuffer堆外缓存）

　　直接缓冲区是为加快I/O速度，使用一种特殊方式为其分配内存的缓冲区，JDK文档中的描述为：给定一个直接字节缓冲区，Java虚拟机将尽最大努力直接对它执行本机I/O操作。也就是说，它会在每一次调用底层操作系统的本机I/O操作之前(或之后)，尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中或者从一个中间缓冲区中拷贝数据。要分配直接缓冲区，需要调用allocateDirect()方法，而不是allocate()方法，使用方式与普通缓冲区并无区别，如下面的拷贝文件示例：

package com.dxz.nio;

import java.io.FileInputStream;

import java.io.FileOutputStream;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.*;

public class BufferDemo3 {

    static public void main(String args[]) throws Exception {

        String infile = "e:\\logs\\test.txt";

        FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);

        FileChannel fcin = fin.getChannel();

        String outfile = String.format("e:\\logs\\testcopy.txt");

        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);

        FileChannel fcout = fout.getChannel();

        // 使用allocateDirect，而不是allocate

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        while (true) {

            buffer.clear();

            int r = fcin.read(buffer);

            if (r == -1) {

                break;

            }

            buffer.flip();

            fcout.write(buffer);

        }

    }

}

内存映射文件I/O

　　内存映射文件I/O是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的I/O快的多。内存映射文件I/O是通过使文件中的数据出现为内存数组的内容来完成的，这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中，但是事实上并不是这样。一般来说，只有文件中实际读取或者写入的部分才会映射到内存中。如下面的示例代码：

package com.dxz.nio;

import java.io.RandomAccessFile;

import java.nio.MappedByteBuffer;

import java.nio.channels.*;

public class BufferDemo4 {

    static private final int start = 0;

    static private final int size = 1024;

    static public void main(String args[]) throws Exception {

        RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("e:\\logs\\test.txt", "rw");

        FileChannel fc = raf.getChannel();

        MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, start, size);

        mbb.put(0, (byte) 97);

        mbb.put(1023, (byte) 122);

        raf.close();

    }

}

参考：http://blog.csdn.net/wuxianglong/article/details/6612263