Java NIO Buffer(netty源码死磕1.2)

【基础篇】netty源码死磕1.2: 

NIO Buffer

1. Java NIO Buffer

Buffer是一个抽象类，位于java.nio包中，主要用作缓冲区。Buffer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。

注意：Buffer是非线程安全类。

1.1. Buffer类型的标记属性

Buffer在内部也是利用byte[]作为内存缓冲区，只不过多提供了一些标记变量属性而已。当多线程访问的时候，可以清楚的知道当前数据的位置。

有三个重要的标记属性：capacity、position、limit。

除此之外，还有一个标记属性：mark，可以临时保持一个特定的position，需要的时候，可以恢复到这个位置。

1.1.1. 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个数据。一旦Buffer满了，就不能再写入。

capacity与缓存的数据类型相关。指的不是内存的字节的数量，而是写入的对象的数量。比如使用的是一个保存double类型的Buffer（DoubleBuffer），写入的数据是double类型， 如果其 capacity 是100，那么我们最多可以写入100个 double 数据.

capacity一旦初始化，就不能不会改变。

原因是什么呢？

Buffer对象在初始化时，会按照capacity分配内部的内存。内存分配好后，大小就不能变了。分配内存时，一般使用Buffer的抽象子类ByteBuffer.allocate()方法，实际上是生成ByteArrayBuffer类。

1.1.2. position

position表示当前的位置。position在Buffer的两种模式下的值是不同的。

读模式下的position的值为：

当读取数据时，也是从position位置开始读。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。

写模式下的position的值为：

在写模式下，当写数据到Buffer中时，position表示当前的写入位置。初始的position值为0，position最大可为capacity – 1。

每当一个数据（byte、long等）写到Buffer后， position会向后移动到下一个可插入数据的可写的位置。

1.1.3. limit

limit表示最大的限制。在Buffer的两种模式下，limit的值是不同的。

读模式下的limit的值为：

读模式下，Buffer的limit表示最多能从Buffer里读多少数据。当Buffer从写切换到读模式时，limit的值，设置成写模式的position 值，也是是写模式下之前写入的数量值。

举一个简单的例子，说明一下读模式下的limit值：

先向Buffer写数据，Buffer在写模式。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，值加一。假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。这时，就可以读取数据了。当开始读取数据时，Buffer切换到读模式。limit的值，先会被设置成写入数据时的position值。这里是5，表示可以读取的最大限制是5个数。

写模式下的limit的值为：

limit表示表示可以写入的数据最大限制。在切换成写模式时，limit的值会被更改，设置成Buffer的capacity，为Buffer的容量。

1.1.4. 总结：

在Buffer的四个属性之间，有一个简单的数量关系，如下：

capacity>=limit>=position>=mark>=0

用一个表格，对着4个属性的进行一下对比：

属性	描述
capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变
limit	上界，缓冲区中当前数据量
position	位置，下一个要被读或写的元素的索引
mark（位置标记）	调用mark(pos)来设置mark=pos，再调用reset()可以让position恢复到标记的位置即position=mark

1.2. Buffer 类型

在NIO中主要有八种缓冲区类，分别如下:

ByteBuffer

CharBuffer

DoubleBuffer

FloatBuffer

IntBuffer

LongBuffer

ShortBuffer

MappedByteBuffer

这些 Buffer 覆盖了能从 IO 中传输的所有的 Java 基本数据类型。其中MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer)。

1.3. Buffer中的方法

本节结合Buffer的几个方法，做了一个完整的实例，包含了从Buffer实例的获取、写入、读取、重复读、标记和重置等一个系列操作的完整流程。

1.3.1. 获取allocate（）方法

为了获取一个 Buffer 对象，我们首先需要分配内存空间。分配内存空间使用allocate()方法。

public static void allocatTest()
{
byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);
Logger.info("------------after allocate------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);

这里我们分配了20* sizeof(int)字节的内存空间.

输出的结果如下：

       main |>  分配内存

         allocatTest |>  ------------after allocate------------------

         allocatTest |>  position=0

         allocatTest |>  limit=20

         allocatTest |>  capacity=20

通过结果，可以看到Buffer属性的值。

1.3.2. 写put()方法

调用allocate分配内存后，buffer处于写模式。可以通过buffer的put方法写入数据。put方法有一个要求，需要写入的数据类型与Buffer的类型一致。

接着前面的例子，继续上写入的实例代码：

public static void putTest()
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
byteBuffer.put(i);
}
    Logger.info("------------after put------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

写入5个元素后，输出的结果为：

  main |>  写入

             putTest |>  ------------after putTest------------------

             putTest |>  position=5

             putTest |>  limit=20

             putTest |>  capacity=20

调用了put方法后，buffer处于写模式。写入5个数据后，可以看到，position 变成了5，指向了第6个可以写入的元素位置。

除了在新建的buffer之后，如何将buffer切换成写模式呢？

调用 Buffer.clear() 清空或 Buffer.compact()压缩方法，可以将 Buffer 转换为写模式。

1.3.3. 读切换flip()方法

put方法写入数据之后，可以直接从buffer中读吗？

呵呵，不能。

还需要调用filp（）走一个转换的工作。flip()方法是Buffer的一个模式转变的重要方法。简单的说，是写模式翻转成读模式——写转读。

接着前面的例子，继续上flip（）方法的例子代码：

public static void flipTest()
{
byteBuffer.flip();
Logger.info("------------after flip ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

接着上一步的写入，在调用flip之后，buffer的属性有一些奇妙的变化。

运行上面的程序，输出如下：

 main |>  翻转

            flipTest |>  ------------after flipTest ------------------

            flipTest |>  position=0

            flipTest |>  limit=5

            flipTest |>  capacity=20

注意到没有，position从前一个小节的5，变成了0。而limit的保存了之前的position，从20变成5。

这是为什么呢？ 先看其源码，Buffer.flip()方法的源码如下：

public final Buffer flip() {

    limit = position;

    position = 0;

    mark = UNSET_MARK;

    return this;

}

解释一下啊，flip()方法主要是从读模式切换成写模式，调整的规则是：

（1）首先设置可读的长度limit。将写模式下的Buffer中内容的最后位置position值变为读模式下的limit位置值，新的limit值作为读越界位置；

（2）其次设置读的起始位置。将当position值置为0，表示从0位置开始读。转换后重头开始读。

（3）如果之前有mark保存的标记位置，还要消除。因为那是写模式下的mark标记。

1.3.4. 读get() 方法

get()读数据很简单，每次从postion的位置读取一个数据，并且进行相应的buffer属性的调整。

接着前面的例子，继续上读取buffer的例子代码：

public static void getTest()
{
    Logger.info("------------after &getTest 2------------------");
    for (int i = 0; i < 2; i++)
    {
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
    Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
Logger.info("------------after &getTest 3------------------");
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
    Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

先读2个，再读3个，输出的Buffer属性值如下：

 main |>  读取 

             getTest |>  ------------after &getTest 2------------------ 

             getTest |>  j = 0 

             getTest |>  j = 1 

             getTest |>  position=2 

             getTest |>  limit=5 

             getTest |>  capacity=20 

             getTest |>  ------------after &getTest 3------------------ 

             getTest |>  j = 2 

             getTest |>  j = 3 

             getTest |>  j = 4 

             getTest |>  position=5 

             getTest |>  limit=5 

             getTest |>  capacity=20

读完之后，缓存的position 值变成了一个没有数据的元素位置，和limit的值相等，已经不能在读了。

读完之后，是否可以直接写数据呢？

不能。一旦读取了所有的 Buffer 数据，那么我们必须清理 Buffer，让其重新可写，可以调用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()。

1.3.5. 倒带rewind()方法

已经读完的数据，需要再读一遍，可以直接使用get方法吗？

答案是，不能。怎么办呢？

使用rewind() 方法，可以进重复读的设置。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样，倒回去，重新播放。

接着前面的例子，继续上重复读的例子代码：

public static void rewindTest()
{
byteBuffer.rewind();
Logger.info("------------after flipTest ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

实例的结果如下：

 main |>  重复读

          rewindTest |>  ------------after flipTest ------------------

          rewindTest |>  position=0

          rewindTest |>  limit=5

          rewindTest |>  capacity=20

flip()方法主要是调整Buffer的 position 属性，调整的规则是：

（1）position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据；

（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。

Buffer.rewind()方法的源码如下：

public final Buffer rewind() {

position = 0;

mark = -1;

return this;

}

看到了实现的源码应该就会清楚flip()的作用了。rewind()方法与flip()很相似，区别在于rewind()不会影响limit，而flip()会重设limit属性值。

1.3.6. mark( )和reset( )

Buffer.mark()方法将当前的 position 的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住当前位置，之后可以调用Buffer.reset()方法将 position 的值恢复回来。

Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是一一配套使用的。都是需要操作mark属性。

在重复读的实例代码中，读到第3个元素，使用mark（）方法，设置一下mark 属性，保存为第3个元素的位置。

下面上实例，演示一下mark和reset的结合使用。

实例继续接着上面的rewind倒带后的buffer 状态，开始reRead重复读，实例代码如下：

public static void reRead()
{
    Logger.info("------------after reRead------------------");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
        if (i == 2)
        {
byteBuffer.mark();
}
    }
    Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

然后接着上一段reset（）实例代码，如下：

public static void afterReset()
{
    Logger.info("------------after reset------------------");
byteBuffer.reset();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

上面我们调用 mark() 方法将当前的 position 保存起来(在读模式，因此保存的是读的 position)。接着使用 reset() 恢复原来的读 position，因此读 position 就为3，可以再次开始从第2个元素读取数据.

输出的结果是：

 afterReset |>  ------------after reset------------------

          afterReset |>  position=3

          afterReset |>  limit=5

          afterReset |>  capacity=20

调用reset之后，position的值为3，表示可以从第三个元素开始读。

Buffer.mark()和Buffer.reset()其实很简答，其源码如下：

public final Buffer mark() {

mark = position;

return this;

}

public final Buffer reset() {

int m = mark;

if (m < 0)

throw new InvalidMarkException();

position = m;

return this;

}

1.3.7. clear（）清空

clear（）方法的作用有两种：

（1）写模式下，当一个 buffer 已经写满数据时，调用 clear（）方法，切换成读模式，可以从头读取 buffer 的数据；

（2）读模式下，调用 clear（）方法，将buffer切换为写模式，将postion为清零，limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到buffer写满。

接着上面的实例，使用实例代码，演示一下clear方法。

代码如下：

public static void clearDemo()
{
    Logger.info("------------after clear------------------");
byteBuffer.clear();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}

运行之后，结果如下：

main |>  清空

           clearDemo |>  ------------after clear------------------

           clearDemo |>  position=0

           clearDemo |>  limit=20

           clearDemo |>  capacity=20

在clear（）之前，buffer是在读模式下。clear（）之后，可以看到，清空了position 的值，设置为起始位置。

clear 方法源码:

public final Buffer clear() {

position = 0;

limit = capacity;

mark = -1;

return this;

}

根据源码我们可以知道，clear 将 positin 设置为0，将 limit 设置为 capacity。

1.4. Buffer 的使用

1.4.1. 使用的基本步骤

总结一下，使用 NIO Buffer 的步骤如下:

一：将数据写入到 Buffer 中；

二：调用 Buffer.flip()方法，将 NIO Buffer 转换为读模式；

三：从 Buffer 中读取数据；

四：调用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()方法，将 Buffer 转换为写模式。

当我们将数据写入到 Buffer 中时，Buffer 会记录我们已经写了多少的数据；当我们需要从 Buffer 中读取数据时，必须调用 Buffer.flip()将 Buffer 切换为读模式。

1.4.2. 完整的实例代码

package com.crazymakercircle.iodemo.base;import com.crazymakercircle.util.Logger;import java.nio.IntBuffer;public class BufferDemo{    static IntBuffer byteBuffer = null;    public static void allocatTest()    {        byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);        Logger.info("------------after allocate------------------");        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void putTest()    {        for (int i = 0; i < 5; i++)        {            byteBuffer.put(i);        }        Logger.info("------------after putTest------------------");        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void flipTest()    {        byteBuffer.flip();        Logger.info("------------after flipTest ------------------");        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void rewindTest()    {        byteBuffer.rewind();        Logger.info("------------after flipTest ------------------");        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void getTest()    {        Logger.info("------------after &getTest 2------------------");        for (int i = 0; i < 2; i++)        {            int j = byteBuffer.get();            Logger.info("j = " + j);        }        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());        Logger.info("------------after &getTest 3------------------");        for (int i = 0; i < 3; i++)        {            int j = byteBuffer.get();            Logger.info("j = " + j);        }        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void reRead()    {        Logger.info("------------after reRead------------------");        for (int i = 0; i < 5; i++)        {            int j = byteBuffer.get();            Logger.info("j = " + j);            if (i == 2)            {                byteBuffer.mark();            }        }        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void afterReset()    {        Logger.info("------------after reset------------------");        byteBuffer.reset();        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }     public static void clearDemo()    {        Logger.info("------------after clear------------------");        byteBuffer.clear();        Logger.info("position=" + byteBuffer.position());        Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());        Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());    }    public static void main(String[] args)    {        Logger.info("分配内存");        allocatTest();        Logger.info("写入");        putTest();        Logger.info("翻转");        flipTest();        Logger.info("读取");        getTest();        Logger.info("重复读");        rewindTest();        reRead();        Logger.info("make&reset写读");        afterReset();       Logger.info("清空");        clearDemo();    }}

源码：

代码工程:  JavaNioDemo.zip

下载地址：在疯狂创客圈QQ群文件共享。

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