Java NIO通俗编程之缓冲区Buffer(三)

一、介绍

本节将讨论使用缓冲区的一些更复杂的方面，比如缓冲区分配、包装和分片。我们还会讨论 NIO 带给 Java 平台的一些新功能。您将学到如何创建不同类型的缓冲区以达到不同的目的，如可保护数据不被修改的 只读 缓冲区，和直接映射到底层操作系统缓冲区的 直接 缓冲区。我们将在本节的最后介绍如何在 NIO 中创建内存映射文件。在创建一个缓冲区对象时，会调用静态方法allocate()来指定缓冲区的容量，其实调用
allocate()相当于创建了一个指定大小的数组，并把它包装为缓冲区对象。或者我们也可以直接将一个现有的数组，包装为缓冲区对象。Java NIO的主要读写处理逻辑就是将数据从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中。而这个数据缓冲区的基类就是Buffer。而Buffer本质上就是一块可读写数据的内存，其提供了一些方法，方便外部调用者访问这块内存进行数据读写操作。Buffer意为缓冲区，其本质上就是一块可写入数据，然后可以从中读取数据的内存区域，通过该种方式有助于减少系统开销和提高外设效率。对于缓冲区我们早有所了解，比如在C中标准I/O中的read,write直接调用系统的输入输出，而scanf和printf则借助缓冲区在适当的时候调用read，write操作。在NIO中，为了方便对缓冲区的操作，jAVA设计者将缓冲区封装为Buffer（实际上就是封装了基本数据元素的数组），并提供相应的方法对其操作。

Buffer使用，Buffer的使用过程大体遵循以下步骤：

分配缓存大小——>用数据填充Buffer——>调用其filp()——>从Buffer读取数据——>调用clear()或者compact()。

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。

重读buffer中的数据，Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。

清空Buffer，一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer相当于 被清空了（实际上Buffer中的内容并未真正被清空，此时如果调用rewind()或者设置position=0仍然可读取旧的数据）。该方法实际上只是重设了position和limit的值，进而告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。 如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

二、缓冲区分配和包装

在能够读和写之前，必须有一个缓冲区。要创建缓冲区，您必须分配它。我们使用静态方法 allocate() 来分配缓冲区：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

allocate() 方法分配一个具有指定大小的底层数组，并将它包装到一个缓冲区对象中 ― 在本例中是一个 ByteBuffer。

您还可以将一个现有的数组转换为缓冲区，如下所示：

byte array[] = new byte[1024];
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap( array );

本例使用了 wrap() 方法将一个数组包装为缓冲区。必须非常小心地进行这类操作。一旦完成包装，底层数据就可以通过缓冲区或者直接访问。

三、缓冲区分片

slice() 方法根据现有的缓冲区创建一种 子缓冲区 。也就是说，它创建一个新的缓冲区，新缓冲区与原来的缓冲区的一部分共享数据。使用例子可以最好地说明这点。让我们首先创建一个长度为 10 的 ByteBuffer：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 )

然后使用数据来填充这个缓冲区，在第 n 个槽中放入数字 n：

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {
buffer.put( (byte)i );
}

现在我们对这个缓冲区 分片 ，以创建一个包含槽 3 到槽 6 的子缓冲区。在某种意义上，子缓冲区就像原来的缓冲区中的一个 窗口 。 窗口的起始和结束位置通过设置 position 和 limit 值来指定，然后调用 Buffer 的 slice() 方法：

buffer.position( 3 );
buffer.limit( 7 );
ByteBuffer slice = buffer.slice();

片是缓冲区的子缓冲区 。不过， 片段和缓冲区共享同一个底层数据数组，我们在下一节将会看到这一点。

四、缓冲区分片和数据共享

我们已经创建了原缓冲区的子缓冲区，并且我们知道缓冲区和子缓冲区共享同一个底层数据数组。让我们看看这意味着什么。我们遍历子缓冲区，将每一个元素乘以 11 来改变它。例如，5 会变成 55。

for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {
byte b = slice.get( i );
b *= 11;
slice.put( i, b );
}

最后，再看一下原缓冲区中的内容：

buffer.position( 0 );
buffer.limit( buffer.capacity() );
while (buffer.remaining()>0) {
System.out.println( buffer.get() );
}

结果表明只有在子缓冲区窗口中的元素被改变了：

$ java SliceBuffer 0 1 2 33 44 55 66 7 8 9缓冲区片对于促进抽象非常有帮助。可以编写自己的函数处理整个缓冲区，而且如果想要将这个过程应用于子缓冲区上，您只需取主缓冲区的一个片，并将它传递给您的函数。这比编写自己的函数来取额外的参数以指定要对缓冲区的哪一部分进行操作更容易。

五、只读缓冲区

只读缓冲区非常简单 ― 您可以读取它们，但是不能向它们写入。可以通过调用缓冲区的 asReadOnlyBuffer() 方法，将任何常规缓冲区转换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区(并与其共享数据)，只不过它是只读的。只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个对象的方法时，您无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以保证该缓冲区不会被修改。不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。

六、直接和间接缓冲区

另一种有用的 ByteBuffer 是直接缓冲区。 直接缓冲区 是为加快 I/O 速度，而以一种特殊的方式分配其内存的缓冲区。实际上，直接缓冲区的准确定义是与实现相关的。Sun 的文档是这样描述直接缓冲区的：

给定一个直接字节缓冲区，Java 虚拟机将尽最大努力直接对它执行本机 I/O 操作。也就是说，它会在每一次调用底层操作系统的本机 I/O 操作之前(或之后)，尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中(或者从一个中间缓冲区中拷贝数据)。

还可以用内存映射文件创建直接缓冲区。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 快得多。内存映射文件 I/O 是通过使文件中的数据神奇般地出现为内存数组的内容来完成的。这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中，但是事实上并不是这样。一般来说，只有文件中实际读取或者写入的部分才会送入（或者 映射 ）到内存中。内存映射并不真的神奇或者多么不寻常。现代操作系统一般根据需要将文件的部分映射为内存的部分，从而实现文件系统。Java 内存映射机制不过是在底层操作系统中可以采用这种机制时，提供了对该机制的访问。尽管创建内存映射文件相当简单，但是向它写入可能是危险的。仅只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。了解内存映射的最好方法是使用例子。在下面的例子中，我们要将一个
FileChannel (它的全部或者部分)映射到内存中。为此我们将使用FileChannel.map() 方法。下面代码行将文件的前 1024 个字节映射到内存中：

MappedByteBuffer mbb = fc.map( FileChannel.MapMode.READ_WRITE,     0, 1024 );

map() 方法返回一个 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer 的子类。因此，您可以像使用其他任何 ByteBuffer 一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行行映射。

参考文献：

1.
通俗编程——白话NIO之Buffer

2.
Java NIO源码分析之Buffer

3.
Java NIO使用及原理分析（三）