NIO 之 ByteBuffer

前言

对于刚接触ByteBuffer人来说，想要完全理解会稍微有点困难，正巧前几天有人问我，想到好久没写文章，就整理一下。

概念理解

对于ByteBuffer的一些概念不理解的情况下，如果直接打开源码，硬啃，是一种方法，但是对于有些耐心不足的同学，恐怕坚持不下去。

第一点，ByteBuffer底层的存储结构就是数组，所有的操作都是基于数组的操作。数组有哪几个重要的属性呢？元素索引和数组长度。

上面的图就简单的理解为一个数组。

既然ByteBuffer的存储结构为一个数组，那么就离不开索引位置和数组长度的概念。

mark（标记位）
position（当前位置）
limit（限定位置）
capacity（容量）

这四个概念是ByteBuffer数据操作的核心概念，只要把这四个的关系理清楚，那么在使用ByteBuffer的时候基本不会出现问题

基本读写状态

初始化状态

在初始的时候，这四个的相对位置，如下

• mark：默认为-1，即没有做任何的标记
• position：当前位置为0
• limit和capacity：默认这两个相同

写状态

在向ByteBuffer写入一个字节(put操作)的时候，相对位置如下

• mark：没有任何移动
• position：写入一个字节，position++
• limit和capacity：依然指向最后

写转读状态

在写入n个字节之后，位置如下

此时调用flip操作，由写模式转为读模式，位置变化过程如下：

• 写转读的时候，会先把limit指向position的位置，即在读模式下，limit表示可以读取多少个字节，其余（limit到capacity之间的）的是不可读的
• position强制赋值为0，意味着可以从0索引处开始读取
• 【NOTE】 mark操作在上图没有体现，但是即使mark位置不在-1处，这里也会强制将mark设置为-1

读状态

通过get操作进行读取时，位置如下

读取一个字节时，位置变化

• mark：位置不变
• position：向前移动一个位置
• limit：位置不变，为读取上限，limit之后的内容不可读
• capacity：位置不变，依然指向最后

操作状态

通过上面的基本读写操作，四个的相对位置变化规律已经可以基本理解ByteBuffer的读写操作是如何实现的了，下面再说一下具体的一些操作

读操作

读操作提供了三个方法

• get() 相对读取，即读取当前position位置字节，读完之后position++
• get(int index) 绝对读取，即读取index位置的字节，此时会对index进行检查，看index是否超过limit的限制，如果超过抛出IndexOutOfBoundsException；注意这时没有任何的位置移动
• get(byte[] dst, int offset, int length)
  • dst 数据读入的地方，就是将字节从ByteBuffer中读到dst
  • offset 这个offset为dst的偏移量，不是ByteBuffer里面的offset（ByteBuffer里面也有一个offset，这里先忽略），即数据读到dst的时候，从offset的位置开始存储
  • length 是要从ByteBuffer中读取多长的字节，即从position（当前）位置开始，读取length个字节到dst
  • 这时，position的位置会加上length的长度；如果mark的位置比position大，那么将mark设置为-1

写操作

写操作提供了四个方法

• put(byte b) 相对写入，向position的位置写入一个字节，position++
• put(int index, byte b) 绝对写入，向索引为index的位置写入数据b，没有任何的位置移动
• put(ByteBuffer src) 相对写
  • 这个首先要知道，这个操作是将src中的内容写入到调用的这个ByteBuffer中去，可能有人容易混淆
  • 这里并不是将src所有的数据写入，而是讲src中可读的部分（即src中position到limit的部分）写入
  • 这个src不是是调用者自身，否则会报错
  • 如果src可读部分的长度大于了该ByteBuffer的剩余的长度，抛出BufferOverflowException
  • 将src读出来的同时，也会变好src的position
  • 将此ByteBuffer的position加上src可读部分的长度
  • 这时，position的位置会加上length的长度；如果mark的位置比position大，那么将mark设置为-1
• put(byte[] src, int offset, int length)
  • src 要写入的字节数组
  • offset 这个offset也是src的offset，即从src的offset的位置开始
  • length 这个length是要读取src的长度，即从src的offset的位置开始读取，读取length长度的字节到ByteBuffer中，此时position会加length

标记操作

标记操作，就一个公共方法mark()

• mark() 将mark的位置设置为position的位置，如果position比mark小，mark会被设置为-1

重置到标记操作

• reset() 把position设置为mark的位置，回到之前做标记的地方，如果mark小于0，抛异常InvalidMarkException

重置到初始操作

• rewind() 与reset类似，是将状态重置，但是reset只能重置到mark标记过的位置，而rewind是将mark=-1，position设置为0

清除操作

• clear() 不知道叫清除操作是否合适，这里clear的并不是数组里面的数据，而是将这四个的位置恢复初始化的状态。position=0，mark=-1，limit=capacity。此时ByteBuffer数组中的内容依然存在，但是数据的准确性并无法保证。所以在调用clear方法的时候，一定要清楚的知道自己的操作是否合理

写转读操作

• flip() 该操作在上面已经介绍过了

限制操作

提供了两个方法，limit()和limit(int newLimit)

• limit() 该操作其实没有实际操作，就是获取当前limit的位置
• limit(newLimit) 该操作是重新设置一个limit的操作，如果比capacity大，那么异常，如果newLimit比position小，那么position会设置为newLimit的位置

获取未读容量操作

• remaining() 获取剩余可读容量，即limit - position
• hasRemaining() 返回是否有未读内容

压缩整理操作

• compact() 将还没有读取的内容移动到开头的位置，即把position到limit的内容移动到从0开始，然后把position设置为未读内容长度的位置，limit设置为capacity的位置

实例化

ByteBuffer的基本操作基本已经介绍完了，那么ByteBuffer如何初始化呢？

从源码可以看出来ByteBuffer是一个抽象类，所以，不能被实例化。但是提供了四个静态方法

allocate(int capacity)

在堆上分配一个容量为capacity的数组作为存储容器

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

allocateDirect(int capacity)

不是在虚拟机堆上创建，而是分配的操作系统的直接内存，这样能更进一步提升io的性能，但是，分配直接内存的开销很大，所以只有在缓冲区需要长时间存在的情况下，使用这种初始化方式会更加优秀

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

wrap(byte[] array)

相当于allocate操作，只不过，allocate是在ByteBuffer内容创建了一个字节数组用于存储数据，而wrap(byte[] array) 是在ByteBuffer外面创建了一个字节数组，用于存储存储数据，无论是直接操作array亦或是操作ByteBuffer都会更改存储值

wrap(byte[] array, int offset, int length)

在wrap(byte[] array) 的基础上指定offset和length。offset就是position，length读取的长度

其他

除了ByteBuffer之外，还提供了除Boolean之外的其他缓存类，使用方法基本相同