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java.nio.ByteBuffer

postjava大约 9 分钟

java.nio.ByteBuffer

Java NIO Buffers用于和NIO Channel交互。 我们从Channel中读取数据到buffers里，从Buffer把数据写入到Channels。Buffer本质上就是一块内存区，可以用来写入数据，并在稍后读取出来。这块内存被NIO Buffer包裹起来，对外提供一系列的读写方便开发的接口。java中java.nio.Buffer的常见实现类如下，不过我们这里只说一下ByteBuffer这个实现。

java中的常见实现类
java中java.nio.Buffer的常见实现类

Buffer的重要属性

Buffer缓冲区实质上就是一块内存，用于写入数据，也供后续再次读取数据，为了便于理解，你可以把它理解为一个字节数组。它有有四个重要属性：

public abstract class Buffer {
    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;
}
  • capacity
    • 这个属性表示这个Buffer最多能放多少数据，在创建buffer的时候指定。int类型。
  • position 下一个要读写的元素位置（从0开始），当使用buffer的相对位置进行读/写操作时，读/写会从这个下标进行，并在操作完成后，buffer会更新下标的值。
    • 写模式：当写入数据到Buffer的时候需要从一个确定的位置开始，默认初始化时这个位置position为0，一旦写入了数据比如一个字节，整形数据，那么position的值就会指向数据之后的一个单元，position最大可以到capacity-1.
    • 读模式：当从Buffer读取数据时，也需要从一个确定的位置开始。buffer从写入模式变为读取模式时，position会归0，每次读取后，position向后移动。
  • limit 在Buffer上进行的读写操作都不能越过这个limit。
    • 写模式：limit的含义是我们所能写入的最大数据量，它等同于buffer的容量capacity
    • 读模式：limit则代表我们所能读取的最大数据量，他的值等同于写模式下position的位置。换句话说，您可以读取与写入数量相同的字节数。
  • mark
    • 一个临时存放的位置下标，用户选定的position的前一个位置或-1。
      • 调用mark()会将mark设为当前的position的值，以后调用reset()会将position属性设 置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值，如果将position的值设的比mark小，当前的mark值会被抛弃掉。

注：

  • position和limit之间的距离指示了可读/存的字节数。
  • boolean hasRemaining():当缓冲区至少还有一个元素时，返回true。
  • int remaining():position和limit之间字节个数。

这些属性总是满足以下条件：

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

通过上面的描述可以看出，其中position和limit的具体含义取决于当前buffer的模式（读模式还是写模式）。capacity在两种模式下都表示容量。

Buffer的常见API

  • ByteBuffer allocate(int capacity)
    • 从堆空间中分配一个容量大小为capacity的byte数组作为缓冲区的byte数据存储器，实现类是HeapByteBuffer 。
  • ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
    • 类似于allocate方法，不过使用的是对外内存，实现类是DirectByteBuffer。
  • ByteBuffer wrap(byte[] array)
    • 把byte数组包装为ByteBuffer，bytes数组或buff缓冲区任何一方中数据的改动都会影响另一方。其实ByteBuffer底层本来就有一个bytes数组负责来保存buffer缓冲区中的数据，通过allocate方法系统会帮你构造一个byte数组，实现类是HeapByteBuffer。
  • ByteBuffer wrap(byte[] array, int offset, int length)
    • 在上一个方法的基础上可以指定偏移量和长度，buffer的capacity就是array.length,这个offset也就是包装后byteBuffer的position，limit=length+position(offset)，mark=-1实现类是HeapByteBuffer 。
  • abstract Object array()
    • 返回支持此缓冲区的数组 （可选操作）
  • abstract int arrayOffset()
    • 返回此缓冲区中的第一个元素在缓冲区的底层实现数组中的偏移量（可选操作）。调用此方法之前要调用hasarray方法，以确保此缓冲区具有可访问的底层实现数组。
  • abstract boolean hasArray()
    • 告诉这个缓冲区是否由可访问的数组支持
  • int capacity()
    • 返回此缓冲区的容量
  • Buffer clear()
    • 清除此缓存区。将position = 0;limit = capacity;mark = -1;把position设为0，一般在把数据写入Buffer前调用。
  • Buffer flip()
    • flip()方法可以吧Buffer从写模式切换到读模式。调用flip方法会把position归零，并设置limit为之前的position的值。也就是说，现在position代表的是读取位置，limit标示的是已写入的数据位置。一般在从Buffer读出数据前调用。
  • abstract boolean isDirect()
    • 判断个缓冲区是否为direct, 也就是是否是对外内存
  • abstract boolean isReadOnly()
    • 判断告知这个缓冲区是否是只读的
  • int limit()
    • 返回此缓冲区的limit的属性值
  • Buffer position(int newPosition)
    • 设置这个缓冲区的位置
  • boolean hasRemaining()
    • return position < limit，返回是否还有未读内容
  • int remaining()
    • return limit - position; 返回limit和position之间相对位置差
  • Buffer rewind()
    • 把position设为0，mark设为-1，不改变limit的值，一般在把数据重写入Buffer前调用
  • Buffer mark()
    • 设置mark的值，mark=position，做个标记
  • Buffer reset()
    • 还原标记，position=mark。
  • ByteBuffer compact()
    • 该方法的作用是将 position 与 limit之间的数据复制到buffer的开始位置，与limit 之间没有数据的话发，就不会进行复制。一个例子如下：
例如：ByteBuffer.allowcate(10); 
内容：[0 ,1 ,2 ,3 4, 5, 6, 7, 8, 9]
## compact前
[0 ,1 ,2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] 
pos=4 
lim=10 
cap=10
## compact后
[4, 5, 6, 7, 8, 9, 6, 7, 8, 9] 
pos=6 
lim=10 
cap=10
  • ByteBuffer slice();
    • 创建一个分片缓冲区。分片缓冲区与主缓冲区共享数据。 分配的起始位置是主缓冲区的position位置，容量为limit-position。 分片缓冲区无法看到主缓冲区positoin之前的元素。

创建buffer的注意点

创建ByteBuffer可以使用allocate或者wrap,就像下面这样：

  • ByteBuffer allocate(int capacity)
  • ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
  • ByteBuffer wrap(int capacity)
  • ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset,int length)

需要注意的是：创建的缓冲区都是定长的，大小无法改变。若发现刚创建的缓冲区容量太小，只能重新创建一个合适的。

关于ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset,int length)这个方法，这里再强调一下，这样创建的ByteBuffer的capacity和array的大小是一样的，buffer的position是offset, buffer的limit是offset+length，position之前和limit之后的数据依然可以访问到。例子如下：

public class Demo {
	public static void main(String args[]){
		byte arr[]=new byte[100];
		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.wrap(arr,3,25);
		System.out.println("Capacity is:  "+buffer.capacity());
		System.out.println("Position is: "+buffer.position());
		System.out.println("limit is: "+buffer.limit());
	}
}
//结果：
Capacity is:  100
Position is: 3
limit is: 28

allocate和wrap的区别

wrap只是简单地创建一个具有指向被包装数组的引用的缓冲区，该数组成为后援数组。对后援数组中的数据做的任何修改都将改变缓冲区中的数据，反之亦然。

public static void main(String args[]){  
        byte arr[]=new byte[100];  
        //将arr数组全部置为1
        Arrays.fill(arr, (byte)1);
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.wrap(arr,3,25);
        //对后援数组中的数据做的任何修改都将改变缓冲区中的数据
        arr[0]=(byte)2;
        buffer.position(0);
        System.out.println(buffer.get());
        //在缓冲区上调用array()方法即可获得后援数组的引用。
        System.out.println(Arrays.toString(buffer.array()));
	}
//运行结果：
2
[2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,  1, ....]//总共100个元素

allocate则是创建了自己的后援数组，在缓冲区上调用array()方法也可获得后援数组的引用。通过调用arrayOffset()方法，可以获取缓冲区中第一个元素在后援数组的偏移量。但是使用wrap创建的ByteBuffer，调用arrayOffset永远是0。

public static void main(String args[]){  
       ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(100);
       //对后援素组的修改也可以反映到buffer上
       byte arr[]=buffer.array();
       arr[1]=(byte)'a';
       buffer.getInt();
       
       System.out.println(Arrays.toString(buffer.array()));
       System.out.println(buffer.arrayOffset());
   }
//运行结果：
[0, 97, 0, 0, 0, 0, 0, 0,...]//总共100个元素
0

通过ByteBuffer allocateDirect(int capacity)创建的叫直接缓冲区，使用的堆外内存。可以通过isDirect()方法查看一个缓冲区是否是直接缓冲区。由于直接缓冲区是没有后援数组的，所以在其上面调用array()或arrayOffset()都会抛出UnsupportedOperationException异常。注意有些平台或JVM可能不支持这个创建直接缓冲区。

图解

put

写模式下，往buffer里写一个字节，并把postion移动一位。写模式下，一般limit与capacity相等。

bytebuffer-put
bytebuffer-put

flip

写完数据，需要开始读的时候，将postion复位到0，并将limit设为当前postion。

bytebuffer-flip
bytebuffer-flip

get

从buffer里读一个字节，并把postion移动一位。上限是limit，即写入数据的最后位置。

bytebuffer-get
bytebuffer-get

clear

将position置为0，并不清除buffer内容。

bytebuffer-clear
bytebuffer-clear

example

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class Demo {
    private static final int SIZE = 1024;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取通道，该通道允许写操作
        FileChannel fc = new FileOutputStream("data.txt").getChannel();
        // 将字节数组包装到缓冲区中
        fc.write(ByteBuffer.wrap("Some text".getBytes()));
        // 关闭通道
        fc.close();

        // 随机读写文件流创建的管道
        fc = new RandomAccessFile("data.txt", "rw").getChannel();
        // fc.position()计算从文件的开始到当前位置之间的字节数
        System.out.println("此通道的文件位置：" + fc.position());
        // 设置此通道的文件位置,fc.size()此通道的文件的当前大小,该条语句执行后，通道位置处于文件的末尾
        fc.position(fc.size());
        // 在文件末尾写入字节
        fc.write(ByteBuffer.wrap("Some more".getBytes()));
        fc.close();

        // 用通道读取文件
        fc = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(SIZE);
        // 将文件内容读到指定的缓冲区中
        fc.read(buffer);
        //此行语句一定要有, 如果没有，就是从文件最后开始读取的，当然读出来的都是byte=0时候的字符。通过buffer.flip();这个语句，就能把buffer的当前位置更改为buffer缓冲区的第一个位置
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char)buffer.get());
        }
        fc.close();
    }
}

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