Java NIO 缓冲区 Buffer

缓冲区 Buffer 是 Java NIO 中一个核心概念，它是一个线性结构，容量有限，存放原始类型数据（boolean 除外）的容器。

1. Buffer 中可以存放的数据类型

java.nio.Buffer 是一个接口，有 7 个重要的子类，对应着 7 种（除 boolean 外）原始数据类型：IntBuffer, CharBuffer, FloatBuffer, DoubleBuffer, ShortBuffer, LongBuffer, ByteBuffer。

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.st11 {fill:#191919;font-family:Times New Roman;font-size:9pt}
BufferIntBufferFloatBufferCharBufferLongBufferByteBufferDoubleBufferShortBufferHeapIntBufferHeapFloatBufferHeapCharBufferHeapLongBufferHeapByteBufferHeapDoubleBufferHeapShortBufferMappedByteBufferDirectByteBuffer

从类图中可以看到，7 种数据类型对应着 7 种子类，这些名字是 Heap 开头子类，数据是存放在 JVM 堆中的；而 MappedByteBuffer 则是存放在堆外的直接内存中，可以映射到文件。

2. 创建一个 Buffer

上面所列举的 7 个类是抽象类，不能直接使用 new 关键字来实例化，而应该调用 allocate(int capacity) 方法来实例化一个 Buffer。

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(10);

每个 Buffer 都有其固定的容量，上面这句代码表示创建一个容量为 10 的 CharBuffer，最多可以往 Buffer 中存放 10 个 char 字符。Buffer 中有 3 个重要的属性 capacity, limit, position：

capacity 是一个不可改变的非负整数，它在创建 Buffer 的时候设置。如上面创建的 buf 的 capacity 就是 10。

limit 也是一个非负整数，其值不能超过 capacity。它指向 Buffer 中第 1 个不能够被读或者写的元素。

position 表示 Buffer 中下一个被读取或者写入的单元。

下图为一个 CharBuffer 刚创建时的结构。它的内部存储结构是一个 char[] 数组，capacity 和 limit 指向 10 的位置，position 指向位置 0 。同理，一个 IntBuffer 内部的存储结构为一个 int[] 数组。

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.st3 {fill:#191919;font-family:Times New Roman;font-size:12pt}
.st2 {font-family:Arial;font-size:10pt}
7856923014capacity / limitpositionallocate(10)可写

上面分配的缓冲区存储结构是数组，数组是存放在虚拟机堆内存中的，这一类 Buffer 也可以称为堆缓冲区；事实上，调用 CharBuffer.allocate(capacity) 方法分配的缓冲区就是一个 HeapCharBuffer 的实例。相应地，有 7 种堆缓冲区。不过 ByteBuffer 有些特殊，它除了有常规地 HeapByteBuffer 之外，还有一个 MappedByteBuffer，它基于内存映射技术，内容是文件在内存中的映射；使用 MappedByteBuffer 访问大文件效率要比 HeapByteBuffer 更高，这里不作讨论，其它文章有单独的介绍。

3. Buffer 的读和写

一个 Buffer 可以处于读模式或者写模式，两种模式可以发生切换。一个刚创建的 Buffer 处于写模式，此时可以往里面写入数据。

3.1 put(char c) 写入数据

put(char c) 方法可以往 Buffer 中写入数据。CharBuffer 使用了建造者设计模式，大部分方法都返回了当前对象，可以使用链式调用往 Buffer 中写入数据。

buf.put('A').put('B').put('C').put('D').put('E').put('F').put('G');

每写入一个 char 数据，position 就移动 1 位。

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.st3 {font-family:Arial;font-size:10pt}
7856923014capacity / limitposition可写put('A') ... put('G')'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacity / limitposition可写

3.2 flip() 将写模式切换到读模式

flip() 能够将 Buffer 从写入模式切换成读取模式，它的原理很简单，就是将 limit 移动到了 position 所指位置，将 position 移到了 0 位置。

buf.flip();

buf 内部结构的变化如下图所示。

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'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacity / limitposition可写'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacityposition可读limitflip()

3.3 get() 读取数据

get() 方法能够读取 Buffer 中的数据，它将 position 所指的元素返回，然后 position 移动 1 个位置，指向下一个应该返回的元素。get() 因为要返回元素，所以它不支持链式调用。

System.out.println(buf.get()); // 输出：A
System.out.println(buf.get()); // 输出：B
System.out.println(buf.get()); // 输出：C

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'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacityposition可读limit'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacityposition可读limitget(),get(), get()

3.4 mark() / reset() / rewind()

mark() 将记录当前 positon 的位置，reset() 方法需要配合 mark() 使用。调用 mark() 方法的时候，position 将赋值给 mark 属性；可以继续读取，position 往前移动；调用 reset() 之后，position 会重新回退到 mark 位置。

buf.mark();
System.out.println(buf.get()); // 输出：D
buf.reset();

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'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacityposition可读limit'F''G''C''D''A''B''E'7856923014capacitymark可读limitmark() get()position'F''G''C''D''A''B''E'7856923014mark/position可读limitcapacityreset()

mark() 配合 reset() 允许重新读取部分元素，rewind() 允许重新读取全部元素。rewind() 方法直接让 position 指向 0 位置，然后将 mark 清除。

3.5 compact()

想象这样一个场景：某个 Buffer 中存储了一条半消息，剩下半条消息的数据还没有全部传输过来；此时需要让 Buffer 切换到读取模式，读取第 1 条消息，让后让剩下的半条消息的数据留在 Buffer 中。compact() 可以很好地处理这样地场景。

compact() 可以将一个未读取完的 Buffer 切换到写模式。它的具体做法是将 [position, limit) 范围内的数据复制到 [0, limit-position)，然后 position = limit - position, limit = capacity。此时又可以往 Buffer 中写数据而不会影响未读取的数据了。

buf.compact();
System.out.println(Arrays.toString(buf.array())); // 输出：[D, E, F, G, E, F, G, , , ]

需要注意的是，compact() 仅仅是复制了数据，而并没有将数组中的其它元素设置为零值，如下图所示。

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.st3 {font-family:Arial;font-size:10pt}
'F''G''C''D''A''B''E'7856923014position可读limit'F''G''F''G''D''E''E'7856923014position可写capacitycapacity / limitcompact()

3.6 clear()

clear() 方法可以认为是将 Buffer 重置了，将 Buffer 切换到了写模式。实际上它只是将 position, limit 的值重置了，position=0, limit = capacity。

4. 小结

Buffer 是一个缓冲数据的容器，其内部结构是一个固定长度的数组，支持 7 种数据的存取。

Buffer 是非线程安全的，多线程并发访问一个 Buffer 时应该进行同步。

Buffer 有读取和写入两种模式，刚创建时处于写入模式，模式之间可以进行切换。其模式切换关系如下图所示。

.st1 {fill:#191919;font-family:Times New Roman;font-size:12pt}
.st2 {font-family:Arial;font-size:10pt}
可写可读allocate()flip()get() / mark() / reset() / rewind()compact() / clear()put()

需要明确的是，一般情况下，Buffer 中并没有明确限制读取模式中 Buffer 只能读取，写入模式中只能写入。例如一个刚创建的 buf 也可以直接调用 get() 方法。不过按照这种模式的限制操作一个 Buffer 不容易使数据出错。另外，Buffer 中也提供了 asReadOnlyBuffer() 方法来基于原 Buffer 创建一个新的只读 Buffer。