## 1.简介 Java NIO 相关类在 JDK 1.4 中被引入,用于提高 I/O 的效率。Java NIO 包含了很多东西,但核心的东西不外乎 Buffer、Channel 和 Selector。本文中,我们先来聊聊的 Buffer 的实现。Channel 和 Selector 将在随后的文章中讲到。 ## [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#2继承体系)2.继承体系 Buffer 的继承类比较多,用于存储各种类型的数据。包括 ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer、FloatBuffer 等等。这其中,ByteBuffer 最为常用。所以接下来将会主要分析 ByteBuffer 的实现。Buffer 的继承体系图如下: ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15200845921379.jpg) ## [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#3属性及相关操作)3.属性及相关操作 Buffer 本质就是一个数组,只不过在数组的基础上进行适当的封装,方便使用。 Buffer 中有几个重要的属性,通过这几个属性来显示数据存储的信息。这个属性分别是: | 属性 | 说明 | | --- | --- | | capacity 容量 | Buffer 所能容纳数据元素的最大数量,也就是底层数组的容量值。在创建时被指定,不可更改。 | | position 位置 | 下一个被读或被写的位置 | | limit 上界 | 可供读写的最大位置,用于限制 position,position < limit | | mark 标记 | 位置标记,用于记录某一次的读写位置,可以通过 reset 重新回到这个位置 | ### [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#31-bytebuffer-初始化)3.1 ByteBuffer 初始化 ByteBuffer 可通过 allocate、allocateDirect 和 wrap 等方法初始化,这里以 allocate 为例: ``` public static ByteBuffer allocate(int capacity) { if (capacity &lt; 0) throw new IllegalArgumentException(); return new HeapByteBuffer(capacity, capacity); } HeapByteBuffer(int cap, int lim) { super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0); } ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap, byte[] hb, int offset) { super(mark, pos, lim, cap); this.hb = hb; this.offset = offset; } ``` 上面是 allocate 创建 ByteBuffer 的过程,ByteBuffer 是抽象类,所以实际上创建的是其子类 HeapByteBuffer。HeapByteBuffer 在构造方法里调用父类构造方法,将一些参数值传递给父类。最后父类再做一次中转,相关参数最终被传送到 Buffer 的构造方法中了。我们再来看一下 Buffer 的源码: ``` public abstract class Buffer { // Invariants: mark &lt;= position &lt;= limit &lt;= capacity private int mark = -1; private int position = 0; private int limit; private int capacity; Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) { // package-private if (cap &lt; 0) throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap); this.capacity = cap; limit(lim); position(pos); if (mark &gt;= 0) { if (mark &gt; pos) throw new IllegalArgumentException("mark &gt; position: (" + mark + " &gt; " + pos + ")"); this.mark = mark; } } } ``` Buffer 创建完成后,底层数组的结构信息如下: ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15200935482408.jpg) 上面的几个属性作为公共属性,被放在了 Buffer 中,相关的操作方法也是封装在 Buffer 中。那么接下来,我们来看看这些方法吧。 ### [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#32-bytebuffer-读写操作)3.2 ByteBuffer 读写操作 ByteBuffer 读写操作时通过 get 和 put 完成的,这两个方法都有重载,我们只看其中一个。 ``` // 读操作 public byte get() { return hb[ix(nextGetIndex())]; } final int nextGetIndex() { if (position &gt;= limit) throw new BufferUnderflowException(); return position++; } // 写操作 public ByteBuffer put(byte x) { hb[ix(nextPutIndex())] = x; return this; } final int nextPutIndex() { if (position &gt;= limit) throw new BufferOverflowException(); return position++; } ``` 读写操作都会修改 position 的值,每次读写的位置是当前 position 的下一个位置。通过修改 position,我们可以读取指定位置的数据。当然,前提是 position < limit。Buffer 中提供了`position(int)`方法用于修改 position 的值。 ``` public final Buffer position(int newPosition) { if ((newPosition &gt; limit) || (newPosition &lt; 0)) throw new IllegalArgumentException(); position = newPosition; if (mark &gt; position) mark = -1; return this; } ``` 当我们向一个刚初始化好的 Buffer 中写入一些数据时,数据存储示意图如下: ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15201321822256.jpg) 如果我们想读取刚刚写入的数据,就需要修改 position 的值。否则 position 将指向没有存储数据的空间上,读取空白空间是没意义的。如上图,我们可以将 position 设置为 0,这样就能从头读取刚刚写入的数据。 ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15201324263318.jpg) 仅修改 position 的值是不够的,如果想正确读取刚刚写入的数据,还需修改 limit 的值,不然还是会读取到空白空间上的内容。我们将 limit 指向数据区域的尾部,即可避免这个问题。修改 limit 的值通过 limit(int) 方法进行。 ``` public final Buffer limit(int newLimit) { if ((newLimit &gt; capacity) || (newLimit &lt; 0)) throw new IllegalArgumentException(); limit = newLimit; if (position &gt; limit) position = limit; if (mark &gt; limit) mark = -1; return this; } ``` 修改后,数据存储示意图如下: ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15201327069487.jpg) 上面为了正确读取写入的数据,需要两步操作。Buffer 中提供了一个便利的方法,将这两步操作合二为一,即 flip 方法。 ``` public final Buffer flip() { // 1. 设置 limit 为当前位置 limit = position; // 1. 设置 position 为0 position = 0; mark = -1; return this; } ``` ### [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#33-bytebuffer-标记)3.3 ByteBuffer 标记 我们在读取或写入的过程中,可以在感兴趣的位置打上一个标记,这样我们可以通过这个标记再次回到这个位置。Buffer 中,打标记的方法是 mark,回到标记位置的方法时 reset。简单看下源码吧。 ``` public final Buffer mark() { mark = position; return this; } public final Buffer reset() { int m = mark; if (m &lt; 0) throw new InvalidMarkException(); position = m; return this; } ``` 打标记及回到标记位置的流程如下: ![](https://blog-pictures.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/15201350084493.jpg) ## [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#4directbytebuffer)4.DirectByteBuffer 在 ByteBuffer 初始化一节中,我介绍了 ByteBuffer 的 allocate 方法,该方法实际上创建的是 HeapByteBuffer 对象。除了 allocate 方法,ByteBuffer 还有一个方法 allocateDirect。这个方法创建的是 DirectByteBuffer 对象。两者有什么区别呢?简单的说,allocate 方法所请求的空间是在 JVM 堆内进行分配的,而 allocateDirect 请求的空间则是在 JVM 堆外的,这部分空间不被 JVM 所管理。那么堆内空间和堆空间在使用上有什么不同呢?用一个表格列举一下吧。 | 空间类型 | 优点 | 缺点 | | --- | --- | --- | | 堆内空间 | 分配速度快 | JVM 整理内存空间时,堆内空间的位置会被搬动,比较笨重 | | 堆外空间 | 1\. 空间位置固定,不用担心空间被 JVM 随意搬动 2\. 降低堆内空间的使用率 | 1\. 分配速度慢 2\. 回收策略比较复杂 | DirectByteBuffer 牵涉的底层技术点比较多,想要弄懂,还需要好好打基础才行。由于本人目前能力很有限,关于 DirectByteBuffer 只能简单讲讲。待后续能力提高时,我会再来重写这部分的内容。如果想了解这方面的内容,建议大家看看其他的文章。 ## [](http://www.tianxiaobo.com/2018/03/04/Java-NIO%E4%B9%8B%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/#5总结)5.总结 Buffer 是 Java NIO 中一个重要的辅助类,使用比较频繁。在不熟悉 Buffer 的情况下,有时候很容易因为忘记调用 flip 或其他方法导致程序出错。不过好在 Buffer 的源码不难理解,大家可以自己看看,这样可以避免出现一些奇怪的错误。 好了,本文到这里就结束了,谢谢阅读!