NIO之Buffer缓冲区
NIO之Buffer缓冲区
Buffer缓冲区，所谓的缓冲区其实就是在内存中开辟的一段连续空间，用来临时存放数据。
1、标志位
在缓冲区中存在三个基础的游标：capacity（容量）、limit（限制位）、position（当前位）。
当缓冲区刚创建出来时，capacity指向缓冲区的容量即缓冲区的末尾位置，limit等于capacity，position等于0指向最开始的位置。
当向缓冲区写入数据时，会向position指定位置写入数据，并将position+1指向下一个写入位置，为后续接着写入做好准备。而position无论合适都不能大于limit，如果任何写入操作将会导致position大于limit则写入失败抛出异常。
在读取数据时，会将position指向位置中的数据返回，并将position+1指向下一个读取位置，如果任何读取操作造成position大于limit则读取失败，抛出异常。
通常在写完数据要开始读取数据之前要将limit设置为和position相同，指定好边界，再将position设置为0，从头开始读取数据。可以通过flip方法便捷的去实现这个操作。
Mark（标记）：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的get()和put()函数更新。
例如：
初始化缓冲区：
capacity: 10, position: 0, limit: 10
mark: java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]
写入缓冲区9个byte：
capacity: 10, position: 9, limit: 10
mark: java.nio.HeapByteBuffer[pos=9 lim=10 cap=10]
使用flip重置元素位置：
capacity: 10, position: 0, limit: 9
mark: java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=9 cap=10]
读取元素：1|读取元素：16|读取元素：12|读取元素：0|读取元素：17|读取元素：5|读取元素：4|读取元素：13|读取元素：18|
使用get读取元素后：
capacity: 10, position: 9, limit: 9
mark: java.nio.HeapByteBuffer[pos=9 lim=9 cap=10]
恢复初始化态clear：
capacity: 10, position: 0, limit: 10
mark: java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=10]2、读取数据
利用Buffer读写数据，通常遵循四个步骤：
- 1、把数据写入buffer；
- 2、调用flip；
- 3、从Buffer中读取数据；
- 4、调用buffer.clear()或者buffer.compact()
从Buffer读数据有两种方式：
- 1、从buffer读数据到channel。
- 2、从buffer直接读取数据，调用get方法。
3、Buffer
java.nio.Buffer
Buffer是一个抽象类，不能直接使用，其子类如下：
ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。
3.1重要方法
此抽象类有以下这些重要的方法。
3.1.1capacity()
返回缓冲区的容量大小。
3.1.2position()
返回缓冲区的当前位置。
3.1.3limit()
返回缓冲区的限制位。
3.1.4mark()
当前position设置标记。
3.1.5flip()
反转缓冲区。将position的值赋给limit，然后position置零。一般用于重新读取数据之前。此方法可以把Buffer从写模式切换到读模式，使用此方法后，position代表的是读取位置，limit标示的是已写入的数据位置。
3.1.6remaining()
判断边界，返回当前位置与限制之间的元素数。
3.1.7hasRemaining()
告知在当前位置和限制之间是否有元素。
3.1.8hasArray()
3.1.9rewind()
重绕缓冲区。只是将position的数值置零。这样可以重复读取buffer中的数据。limit保持不变。
3.1.10reset()
将此缓冲区的位置重置为mark方法标记的位置。
3.1.11clear()
清空缓冲区。这个方法不是真的清空，而是将三个标志位重置到最初的位置。再写入数据，将原有数据覆盖，是逻辑上的清空，不是物理清空。
3.1.12isDirect()
判断当前缓冲区是否是直接缓冲区，如果是直接缓冲区，则返回true，否则返回false。
4、ByteBuffer
以ByteBuffer进行介绍，其他类型的对应类，都具有相同的功能。
4.1重要方法
除了继承父类的重要方法之外，ByteBuffer还具有以下重要的方法。
4.1.1allocate(int capacity)
此方法为一个静态方法，创建一个新的指定空间的间接缓冲区。
4.1.2allocateDirect(int capacity)
此方法为一个静态方法，创建一个新的指定容量的直接缓冲区。
4.1.3wrap(byte[] array)
此方法为一个静态方法，将byte数组包装到间接缓冲区中。
内部调用的是wrap(byte[] array, int offset, int length)方法。
4.1.4wrap(byte[] array, int offset, int length)
此方法为一个静态方法，将byte数组包装到间接缓冲区中。
4.1.5put(byte b)
向缓冲区当前position位置写入数据b。
4.1.6get()
获取当前position位置的数据。
4.1.7equals()
判断两个buffer相对，需满足：
- 1、类型相同。
- 2、buffer中剩余字节数相同。
- 3、所有剩余字节相等
从上面的三个条件可以看出，equals只比较buffer中的部分内容，并不会去比较每一个元素。
4.2方法使用演示
public static void main(String[] args) {
//创建指定大小缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(5);
//写入数据
buf.put("a".getBytes());
buf.put("b".getBytes());
buf.put("c".getBytes());
buf.put("d".getBytes());
buf.put("e".getBytes());
//读取数据
//反转缓冲区 等价于 buf.limit(buf.position()); buf.position(0);
buf.flip();
//判断缓冲区是否到了结尾 buf.remaining() > 0
//--也可以使用 buf.hasRemaining()
while(buf.hasRemaining()){
byte[] data = new byte[1];
buf.get(data);
String str = new String(data);
System.out.println(str);
}
//重绕缓冲区
buf.rewind();
while(buf.hasRemaining()){
byte[] data = new byte[1];
buf.get(data);
String str = new String(data);
System.out.println(str);
}
//mark reset
buf.rewind();
byte[] data = new byte[1];
buf.get(data);
String str = new String(data);
System.out.println(str);
buf.mark();//标记位
buf.get(data);
str=new String(data);
System.out.println(str);
buf.get(data);
str=new String(data);
System.out.println(str);
buf.reset();//返回标记位
buf.get(data);
str=new String(data);
System.out.println(str);
//清除数据
buf.clear();
}5、MappedByteBuffer
此类继承了ByteBuffer类。
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，不是将整个文件读到内存中，而是只有文件中实际读取或者写入的部分才会映射到内存中。
FileChannel提供了map方法来把文件影射为内存映像文件：
MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size);
可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为内存映像文件，映射内存缓冲区是个直接缓冲区，继承自ByteBuffer，但相对于ByteBuffer，它有更多的优点：读取快、写入快、随时随地写入。
mode指出了可访问该内存映像文件的方式：
- 1、READ_ONLY（只读）：试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)
- 2、READ_WRITE（读/写）：对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。(MapMode.READ_WRITE)
- 3、PRIVATE（专用）：对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。(MapMode.PRIVATE)
5.1重要方法
此类出了继承父类的方法之外，还提供了以下这些方法可以使用。
5.1.1fore()
缓冲区是READ_WRITE模式下，此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件。
5.1.2load()
将缓冲区的内容载入内存，并返回该缓冲区的引用。
5.1.3isLoaded()
如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回真，否则返回假。
5.2案例
/**
* 通过MappedByteBuffer将数据输出到文件中
*
* @param context 文件内容
* @param filePath 文件名称
* @throws IOException
*/
public static void outputByMap(String context, String filePath) throws IOException {
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(filePath, "rw");
FileChannel fc = raf.getChannel();
byte[] msg = context.getBytes();
MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, msg.length);
mbb.put(msg);
raf.close();
}6、DirectByteBuffer
直接缓冲区DirectByteBuffer：直接在堆外分配一个内存(即，native memory)来存储数据，程序通过JNI直接将数据读/写到堆外内存中。
因为数据直接写入到了堆外内存中，所以这种方式就不会再在JVM管控的堆内再分配内存来存储数据了，也就不存在堆内内存和堆外内存数据拷贝的操作了。这样在进行I/O操作时，只需要将这个堆外内存地址传给JNI的I/O的函数就好了。
底层的数据其实是维护在操作系统的内存中，而不是JVM里，DirectByteBuffer里维护了一个引用address指向了数据，从而操作数据。实现zero copy（零拷贝）。
DirectByteBuffer此类为一个受保护的类，继承了MappedByteBuffer类，不能从外部直接调用，需要通过ByteBuffer的各种子类调用allocateDirect()方法创建对象。
案例：
public static void main(String[] args) throws Exception {
String inFile = "E:\\1.mp4";
String outFile = "D:\\test\\1.mp4";
outputByDirectBuffer(inFile, outFile);
}
/**
* 通过直接缓冲区输出内容到文件。
*
* @param inFile
* @param outFile
* @throws Exception
*/
public static void outputByDirectBuffer(String inFile, String outFile) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis();
FileInputStream is = new FileInputStream(inFile);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outFile);
FileChannel fcIs, fcOut;
fcIs = is.getChannel();
fcOut = fos.getChannel();
// 创建直接内存的缓冲区
ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(2048);
while (fcIs.read(directByteBuffer) != -1) {
directByteBuffer.flip();
fcOut.write(directByteBuffer);
directByteBuffer.clear();
}
is.close();
fos.close();
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("DirectByteBuffer需要时间：" + (end - start));
}7、HeapByteBuffer
间接缓冲区HeapByteBuffer：数据的分配存储都在JVM堆上，当需要和IO设备打交道的时候，会将JVM堆上所维护的byte[]拷贝至堆外内存，然后堆外内存直接和IO设备交互。
外设之所以要把JVM堆里的数据copy出来再操作，不是因为操作系统不能直接操作JVM内存，而是因为JVM在进行GC（垃圾回收）时，会对数据进行移动，一旦出现这种问题，外设就会出现数据错乱的情况。
HeapByteBuffer此类为一个受保护的类，继承了MappedByteBuffer类，不能从外部直接调用，需要通过ByteBuffer的各种子类调用allocate()方法创建对象。
案例：
public static void main(String[] args) throws Exception {
String inFile = "E:\\1.mp4";
String outFile = "D:\\test\\1.mp4";
outputByHeapBuffer(inFile, outFile);
}
/**
* 通过间接缓冲区输出内容到文件。
*
* @param inFile
* @param outFile
* @throws Exception
*/
public static void outputByHeapBuffer(String inFile, String outFile) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis();
FileInputStream is = new FileInputStream(inFile);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outFile);
FileChannel fcIs, fcOut;
fcIs = is.getChannel();
fcOut = fos.getChannel();
// 创建间接缓冲区
ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);
while (fcIs.read(directByteBuffer) != -1) {
directByteBuffer.flip();
fcOut.write(directByteBuffer);
directByteBuffer.clear();
}
is.close();
fos.close();
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("HeapByteBuffer需要时间：" + (end - start));
}以上是关于NIO的Buffer的介绍。
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