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深入理解ByteBuffer

ByteBuffer类是在Java NIO中常常使用的一个缓冲区类,使用它可以进行高效的IO操作,但是,如果对常用方法的理解有错误,那么就会出现意想不到的bug。

ByteBuffer类的常用方法

先来看看一个基本的程序

publicvoid test()throwsIOException{ByteBuffer buff =ByteBuffer.allocate(128);FileChannel fin =null;FileChannel fout =null;try{
            fin =newFileInputStream("filein").getChannel();
            fout =newFileOutputStream("fileout").getChannel();while(fin.read(buff)!=-1){
                buff.flip();
                fout.write(buff);
                buff.clear();}}catch(FileNotFoundException e){}finally{try{if(fin !=null){
                    fin.close();}if(fout !=null){
                    fout.close();}}catch(IOException e){throw e;}}}

在test方法中,首先通过ByteBuffer.allocate()方法分配了一段内存空间,作为缓存,allocate方法对缓存自动清零,然后打开一个输入文件管道fin和一个输出文件管道fout,在循环中先从fin读出数据存放到buff缓冲区中,再将buff缓冲中的内容写入fout。当然这对于先从文件中读,然后再写这样的场景,这不是高效的做法。
可以看到先从fin中读出数据后,首先要调用ByteBuffer.flip()方法,若将数据写入输出文件后,还要调用ByteBuffer.clear()方法,为什么要这样做呢?

ByteBuffer可以作为一个缓冲区,是因为它是内存中的一段连续的空间,在ByteBuffer对象内部定义了四个索引,分别是mark,position,limit,capacity,其中

  • mark用于对当前position的标记

  • position表示当前可读写的指针,如果是向ByteBuffer对象中写入一个字节,那么就会向position所指向的地址写入这个字节,如果是从ByteBuffer读出一个字节,那么就会读出position所指向的地址读出这个字节,读写完成后,position加1

  • limit是可以读写的边界,当position到达limit时,就表示将ByteBuffer中的内容读完,或者将ByteBuffer写满了。

  • capacity是这个ByteBuffer的容量,上面的程序中调用ByteBuffer.allocate(128)就表示创建了一个容量为capacity字节的ByteBuffer对象。

了解了这四个变量之后,再来看看前面的程序。之所以调用ByteBuffer.flip()方法是因为在向ByteBuffer写入数据后,position为缓冲区中刚刚读入的数据的最后一个字节的位置,flip方法将limit值置为position值,position置0,这样在调用get*()方法从ByteBuffer中取数据时就可以取到ByteBuffer中的有效数据,JDK中flip方法的代码如下:

publicfinalBuffer flip(){
    limit = position;
    position =0;
    mark =-1;returnthis;}

在调用four.write(buff)时,就将buff缓冲区中的数据写入到输出管道,此时调用ByteBuffer.clear()方法为下次从管道中读取数据做准备,但是调用clear方法并不将缓冲区的数据清空,而是设置position,mark,limit这三个变量的值,JDK中clear方法的代码如下:

publicfinalBuffer clear(){
    position =0;
    limit = capacity;
    mark =-1;returnthis;}

这个方法命名给人的感觉就是将数据清空了,但是实际上却不是的,它并没有清空缓冲区中的数据,而至重置了对象中的三个索引值,如果不清空的话,假设此次该ByteBuffer中的数据是满的,下次读取的数据不足以填满缓冲区,那么就会存在上一次已经处理的的数据,所以在判断缓冲区中是否还有可用数据时,使用ByteBuffer.hasRemaining()方法,在JDK中,这个方法的代码如下:

publicfinalboolean hasRemaining(){return position < limit;}

在该方法中,比较了position和limit的值,用以判断是否还有可用数据。

在ByteBuffer类中,还有个方法是compact,对于ByteBuffer,其子类HeapByteBuffer的compact方法实现是这样的:

publicByteBuffer compact(){System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    position(remaining());
    limit(capacity());returnthis;}

如果position()方法返回当前缓冲区中的position值,remaining()方法返回limit与position这段区间的长度,JDK中的remaining()方法代码如下

publicfinalint remaining(){return limit - position;}

所以compact()方法中第一条语句作用是将数组hb当前position所指向的位置开始复制长度为limit-position的数据到hb数组的开始出,其中使用到了ix()函数,这个函数是将参数值加上一个offset值,offset即一个偏移值,在这样的比如一个这样的场景对于一个很大的缓冲区,将其分成两段,第一段的起始位置是p1,长度是q1,第二段起始位置是p2,长度是q2,那么可以分别将这两段包装成一个HeapByteBuffer对象,然后这两个HeapByteBuffer对象(ByteBuffer的子类,默认实现)的offset属性分别设置为p1和p2,这样就可以通过在内部使用ix()函数来简化ByteBuffer对外提供的接口,在使用者看来,与默认的ByteBuffer并没有区别。

在compact函数中,接着将当前的缓冲区的position索引置为limit-position,limit索引置为缓冲区的容量,这样调用compact方法中就可以将缓冲区的有效数据全部移到缓冲区的首部,而position指向下一个可写位置。

比如刚刚创建一个ByteBuffer对象buff时,position=0,limit=capacity,那么此时调用buff.hasRemaining()则会返回true,这样来判断缓冲区中是否有数据是不行的,因为此时缓冲区中的存储的全部是0,但是调用一次compact()方法就可以将position置为limit值,这样再通过buff.hasRemaining()就会返回false,可以与后面的逻辑一起处理了。

ByteBuffer还有一个名为mark的方法,该方法设置mark索引为position的值,JDK中的代码如下:

publicfinalBuffer mark(){
    mark = position;returnthis;}

与其功能相反的方法为reset方法,即将position的值设置为mark,JDK中的代码如下:

publicfinalBuffer reset(){int m = mark;if(m <0)thrownewInvalidMarkException();
    position = m;returnthis;}

此外还有一个名为rewind的方法,这个方法将position索引置为0,mark索引置为-1,JDK中的代码如下:

publicfinalBuffer rewind(){
    position =0;
    mark =-1;returnthis;}

通过这些方法,就可以很方便的操作一个缓冲区,关键是要理解这些方法具体的作用,以及对三个索引值的影响(capacity是不变的)。

ByteBuffer继承自Buffer类,上面的方法四个索引值都定义在Buffer类中,操作索引值的方法也都定义在Buffer类中。

总结

通过对ByteBuffer中的四个索引值操作方法的分析,加深了对ByteBuffer的理解。理解ByteBuffer和其他几种Buffer的关键是要理解在使用中各个方法是如何操作索引值的,特别要注意的是clear方法并没有清除缓冲区的内容。


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