Java NIO（Buffer）

1.1 Buffer 簡介

Java NIO 中的 Buffer 用于和 NIO 通道進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)是從通道讀入緩沖區(qū)，從緩沖區(qū)寫入到通道中的。

緩沖區(qū)本質(zhì)上是一塊可以寫入數(shù)據(jù)，然后可以從中讀取數(shù)據(jù)的內(nèi)存。這塊內(nèi)存被包裝成 NIO Buffer 對象，并提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內(nèi)存。

緩沖區(qū)實(shí)際上是一個(gè)容器對象，更直接的說，其實(shí)就是一個(gè)數(shù)組，在 NIO 庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。

在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它是直接讀到緩沖區(qū)中的； 在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，它也是寫入到緩沖區(qū)中的；任何時(shí)候訪問 NIO 中的數(shù)據(jù)，都是將它放到緩沖區(qū)中。而在面向流 I/O系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)都是直接寫入或者直接將數(shù)據(jù)讀取到 Stream 對象中。

在 NIO 中，所有的緩沖區(qū)類型都繼承于抽象類 Buffer，最常用的就是 ByteBuffer，對于 Java 中的基本類型，基本都有一個(gè)具體 Buffer 類型與之相對應(yīng)，它們之間的繼承關(guān)系如下圖所示：

1.2 Buffer 的基本用法

1、使用 Buffer 讀寫數(shù)據(jù)，一般遵循以下四個(gè)步驟：

（1）寫入數(shù)據(jù)到 Buffer

（2）調(diào)用 flip()方法

（3）從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

（4）調(diào)用 clear()方法或者 compact()方法

當(dāng)向 buffer 寫入數(shù)據(jù)時(shí)，buffer 會(huì)記錄下寫了多少數(shù)據(jù)。一旦要讀取數(shù)據(jù)，需要通過flip()方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。

在讀模式下，可以讀取之前寫入到 buffer的所有數(shù)據(jù)。一旦讀完了所有的數(shù)據(jù)，就需要清空緩沖區(qū)，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區(qū)：調(diào)用 clear()或 compact()方法。

clear()方法會(huì)清空整個(gè)緩沖區(qū)。

compact()方法只會(huì)清除已經(jīng)讀過的數(shù)據(jù)。

任何未讀的數(shù)據(jù)都被移到緩沖區(qū)的起始處，新寫入的數(shù)據(jù)將放到緩沖區(qū)未讀數(shù)據(jù)的后面。

2、使用 ByteBuffer的例子

@Test
public void testConect2() throws IOException {
    RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("d:\\achang/01.txt","rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
    //創(chuàng)建buffer，并指定大?。ㄗ止?jié)）
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate (1024);
    int bytesRead = inChannel.read(buf); //讀取buffer
    while (bytesRead != -1) {
        buf.flip(); //讀寫轉(zhuǎn)換，為讀模式
        while(buf.hasRemaining()){
            System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
        }
        buf.clear(); //清空buffer
        //讀操作
        bytesRead = inChannel.read(buf);
    }
    aFile.close();
}

3、使用 IntBuffer 的例子

@Test
public void testConect3() throws IOException {
    // 分配新的 int 緩沖區(qū)，參數(shù)為緩沖區(qū)容量
    // 新緩沖區(qū)的當(dāng)前位置將為零，其界限(限制位置)將為其容量。
    // 它將具有一個(gè)底層實(shí)現(xiàn)數(shù)組，其數(shù)組偏移量將為零。
    IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate (8);
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
        int j = 2 * (i + 1);
        // 將給定整數(shù)寫入此緩沖區(qū)的當(dāng)前位置，當(dāng)前位置遞增
        buffer.put(j);
    }
    // 重設(shè)此緩沖區(qū)，將限制設(shè)置為當(dāng)前位置，然后將當(dāng)前位置設(shè)置為 0
    buffer.flip();
    // 查看在當(dāng)前位置和限制位置之間是否有元素
    while (buffer.hasRemaining()) {
        // 讀取此緩沖區(qū)當(dāng)前位置的整數(shù)，然后當(dāng)前位置遞增
        int j = buffer.get();
        System.out.print(j + " ");
    }
}

1.3 Buffer 的 capacity、position 和 limit

為了理解 Buffer 的工作原理，需要熟悉它的三個(gè)屬性：

CapacityPositionlimit

position 和 limit 的含義取決于 Buffer 處在讀模式還是寫模式。不管 Buffer 處在什么模式，capacity 的含義總是一樣的。

這里有一個(gè)關(guān)于 capacity，position 和 limit 在讀寫模式中的說明

（1）capacity

作為一個(gè)內(nèi)存塊，Buffer 有一個(gè)固定的大小值，也叫“capacity”.

你只能往里寫capacity 個(gè) byte、long，char 等類型。

一旦 Buffer 滿了，需要將其清空（通過讀數(shù)據(jù)或者清除數(shù)據(jù)）才能繼續(xù)寫數(shù)據(jù)往里寫數(shù)據(jù)。

（2）position

寫數(shù)據(jù)到 Buffer 中時(shí)，position 表示寫入數(shù)據(jù)的當(dāng)前位置，position 的初始值為0。

當(dāng)一個(gè) byte、long 等數(shù)據(jù)寫到 Buffer 后， position 會(huì)向下移動(dòng)到下一個(gè)可插入數(shù)據(jù)的 Buffer 單元。position 最大可為 capacity – 1（因?yàn)?position 的初始值為0）.

讀數(shù)據(jù)到 Buffer 中時(shí)，position 表示讀入數(shù)據(jù)的當(dāng)前位置，如 position=2 時(shí)表示已開始讀入了 3 個(gè) byte，或從第 3 個(gè) byte 開始讀取。

通過 ByteBuffer.flip()切換到讀模式時(shí) position 會(huì)被重置為 0，當(dāng) Buffer 從 position 讀入數(shù)據(jù)后，position 會(huì)下移到下一個(gè)可讀入的數(shù)據(jù) Buffer 單元。

（3）limit

寫數(shù)據(jù)時(shí)，limit 表示可對Buffer 最多寫入多少個(gè)數(shù)據(jù)。寫模式下，limit 等于Buffer 的 capacity。讀數(shù)據(jù)時(shí)，limit 表示 Buffer 里有多少可讀數(shù)據(jù)（not null 的數(shù)據(jù)），因此能讀到之前寫入的所有數(shù)據(jù)（limit 被設(shè)置成已寫數(shù)據(jù)的數(shù)量，這個(gè)值在寫模式下就是position）。(剩余未讀的數(shù)據(jù))

1.4 Buffer 的類型

Java NIO 有以下 Buffer 類型

ByteBufferMappedByteBufferCharBufferDoubleBufferFloatBufferIntBufferLongBufferShortBuffer

這些 Buffer 類型代表了不同的數(shù)據(jù)類型。

換句話說，就是可以通過 char，short，int，long，float 或 double 類型來操作緩沖區(qū)中的字節(jié)。

1.5 Buffer 分配和寫數(shù)據(jù)

1、Buffer 分配

要想獲得一個(gè) Buffer 對象首先要進(jìn)行分配。 每一個(gè) Buffer 類都有一個(gè) allocate 方法。

下面是一個(gè)分配 48 字節(jié) capacity 的 ByteBuffer 的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

這是分配一個(gè)可存儲(chǔ) 1024 個(gè)字符的 CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

2、向 Buffer 中寫數(shù)據(jù)

寫數(shù)據(jù)到 Buffer 有兩種方式：

（1）從 Channel 寫到 Buffer。

（2）通過 Buffer 的 put()方法寫到 Buffer 里。

從 Channel 寫到 Buffer 的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

通過 put 方法寫 Buffer 的例子：

buf.put(127);

put 方法有很多版本，允許你以不同的方式把數(shù)據(jù)寫入到 Buffer 中。例如， 寫到一個(gè)指定的位置，或者把一個(gè)字節(jié)數(shù)組寫入到 Buffer

3、flip()方法

flip 方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。調(diào)用 flip()方法會(huì)將 position 設(shè)回 0，并將 limit 設(shè)置成之前 position 的值。

換句話說，position 現(xiàn)在用于標(biāo)記讀的位置，limit 表示之前寫進(jìn)了多少個(gè) byte、char 等 （現(xiàn)在能讀取多少個(gè) byte、char 等）。

1.6 從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)

從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)有兩種方式：

（1）從 Buffer 讀取數(shù)據(jù)到 Channel。

（2）使用 get()方法從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)。

從 Buffer 讀取數(shù)據(jù)到 Channel 的例子：

//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用 get()方法從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)的例子

byte aByte = buf.get();

get 方法有很多版本，允許你以不同的方式從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)。例如，從指定position 讀取，或者從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)到字節(jié)數(shù)組。

1.7 Buffer 幾個(gè)方法

1、rewind()方法

Buffer.rewind()將 position 設(shè)回 0，所以你可以重讀 Buffer 中的所有數(shù)據(jù)。limit 保持不變，仍然表示能從 Buffer 中讀取多少個(gè)元素（byte、char 等）。

2、clear()與 compact()方法

一旦讀完 Buffer 中的數(shù)據(jù)，需要讓 Buffer 準(zhǔn)備好再次被寫入?？梢酝ㄟ^ clear()或compact()方法來完成。

如果調(diào)用的是 clear()方法，position 將被設(shè)回 0，limit 被設(shè)置成 capacity 的值。換句話說，Buffer 被清空了。Buffer中的數(shù)據(jù)并未清除，只是這些標(biāo)記告訴我們可以從哪里開始往 Buffer 里寫數(shù)據(jù)。

如果 Buffer 中有一些未讀的數(shù)據(jù)，調(diào)用clear()方法，數(shù)據(jù)將“被遺忘”，意味著不再有任何標(biāo)記會(huì)告訴你哪些數(shù)據(jù)被讀過，哪些還沒有。
如果 Buffer 中仍有未讀的數(shù)據(jù)，且后續(xù)還需要這些數(shù)據(jù)，但是此時(shí)想要先先寫些數(shù)據(jù)，那么使用 compact()方法。

compact()方法將所有未讀的數(shù)據(jù)拷貝到 Buffer 起始處。然后將 position 設(shè)到最后一個(gè)未讀元素正后面。limit 屬性依然像 clear()方法一樣，設(shè)置成 capacity?，F(xiàn)在Buffer 準(zhǔn)備好寫數(shù)據(jù)了，但是不會(huì)覆蓋未讀的數(shù)據(jù)。清除已讀過的數(shù)據(jù)

3、mark()與 reset()方法

事務(wù)操作

通過調(diào)用 Buffer.mark()方法，可以標(biāo)記 Buffer 中的一個(gè)特定 position。

之后可以通過調(diào)用Buffer.reset()方法``恢復(fù)`到這個(gè) position。例如：

buffer.mark();
//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
buffer.reset(); //set position back to mark.

1.8、緩沖區(qū)操作

1、緩沖區(qū)分片

在 NIO 中，除了可以分配或者包裝一個(gè)緩沖區(qū)對象外，還可以根據(jù)現(xiàn)有的緩沖區(qū)對象來創(chuàng)建一個(gè)子緩沖區(qū)，即在現(xiàn)有緩沖區(qū)上切出一片來作為一個(gè)新的緩沖區(qū)，但現(xiàn)有的緩沖區(qū)與創(chuàng)建的子緩沖區(qū)在底層數(shù)組層面上是數(shù)據(jù)共享的，也就是說，子緩沖區(qū)相當(dāng)于是現(xiàn)有緩沖區(qū)的一個(gè)視圖窗口。調(diào)用 slice()方法可以創(chuàng)建一個(gè)子緩沖區(qū)。

@Test
public void testConect3() throws IOException {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate (10);
    // 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù) 0-9
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
        buffer.put((byte) i);
    }
    // 創(chuàng)建子緩沖區(qū)
    buffer.position(3);
    buffer.limit(7);
    ByteBuffer slice = buffer.slice();
    // 改變子緩沖區(qū)的內(nèi)容
    for (int i = 0; i < slice.capacity(); ++i) {
        byte b = slice.get(i);
        b *= 10;
        slice.put(i, b);//指定索引值，修改內(nèi)容
    }
    //重新指定之前的位置
    buffer.position(0);
    buffer.limit(buffer.capacity());
    while (buffer.remaining() > 0) {
        System. out .println(buffer.get());
    }
}

2、只讀緩沖區(qū)

只讀緩沖區(qū)非常簡單，可以讀取它們，但是不能向它們寫入數(shù)據(jù)。

可以通過調(diào)用緩沖區(qū)的 asReadOnlyBuffer()方法，將任何常規(guī)緩沖區(qū)轉(zhuǎn) 換為只讀緩沖區(qū)，這個(gè)方法返回一個(gè)與原緩沖區(qū)完全相同的緩沖區(qū)，并與原緩沖區(qū)共享數(shù)據(jù)，只不過它是只讀的。

如果原緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)生了變化，只讀緩沖區(qū)的內(nèi)容也隨之發(fā)生變化：

@Test
public void testConect4() throws IOException {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer. allocate (10);
    // 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù) 0-9
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
        buffer.put((byte) i);
    }
    // 創(chuàng)建只讀緩沖區(qū)
    ByteBuffer readonly = buffer.asReadOnlyBuffer();
    // 改變原緩沖區(qū)的內(nèi)容
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
        byte b = buffer.get(i);
        b *= 10;
        buffer.put(i, b);
    }
    readonly.position(0);
    readonly.limit(buffer.capacity());
    // 讀取只讀緩沖區(qū)的內(nèi)容也隨之改變
    while (readonly.remaining() > 0) {
        System. out .println(readonly.get());
    }
}

如果嘗試修改只讀緩沖區(qū)的內(nèi)容，則會(huì)報(bào) ReadOnlyBufferException 異常。

只讀緩沖區(qū)對于保護(hù)數(shù)據(jù)很有用。在將緩沖區(qū)傳遞給某個(gè) 對象的方法時(shí)，無法知道這個(gè)方法是否會(huì)修改緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。創(chuàng)建一個(gè)只讀的緩沖區(qū)可以保證該緩沖區(qū)不會(huì)被修改。

只可以把常規(guī)緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為只讀緩沖區(qū)，而不能將只讀的緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為可寫的緩沖區(qū)。

3、直接緩沖區(qū)

直接緩沖區(qū)是為加快 I/O 速度，使用一種特殊方式為其分配內(nèi)存的緩沖區(qū)，JDK 文檔中的描述為：給定一個(gè)直接字節(jié)緩沖區(qū)，Java 虛擬機(jī)將盡最大努力直接對它執(zhí)行本機(jī)I/O 操作。

也就是說，它會(huì)在每一次調(diào)用底層操作系統(tǒng)的本機(jī) I/O 操作之前(或之后)，嘗試避免將緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到一個(gè)中間緩沖區(qū)中 或者從一個(gè)中間緩沖區(qū)中拷貝數(shù)據(jù)。要分配直接緩沖區(qū)，需要調(diào)用 allocateDirect()方法，而不是 allocate()方法，使用方式與普通緩沖區(qū)并無區(qū)別。

拷貝文件示例：

@Test
public void testConect5() throws IOException {
    //讀取
    String infile = "d:\\achang\\01.txt";
    FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
    FileChannel fcin = fin.getChannel();
    //輸出
    String outfile = "d:\\achang\\02.txt";
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
    FileChannel fcout = fout.getChannel();
    // 使用 allocateDirect，而不是 allocate
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    while (true) {
        buffer.clear();
        int r = fcin.read(buffer);
        if (r == -1) {
            break;
        }
        buffer.flip();//轉(zhuǎn)為寫模式
        fcout.write(buffer);
    }
}

4、內(nèi)存映射文件 I/O

內(nèi)存映射文件 I/O 是一種讀和寫文件數(shù)據(jù)的方法，它可以比常規(guī)的基于流或者基于通道的 I/O 快的多。

內(nèi)存映射文件 I/O 是通過使文件中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)為 內(nèi)存數(shù)組的內(nèi)容來完成的，這其初聽起來似乎不過就是將整個(gè)文件讀到內(nèi)存中，但是事實(shí)上并不是這樣。一般來說，只有文件中實(shí)際讀取或者寫入的部分才會(huì)映射到內(nèi)存中。

示例代碼：MappedByteBuffer

static private final int start = 0;
static private final int limit = 1024;
static public void main(String args[]) throws Exception {
    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("d:\\achang\\01.txt","rw");
    FileChannel fc = raf.getChannel();
    MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,start,limit);
    mbb.put(0,(byte) 97);
    mbb.put(1023, (byte) 122);
    raf.close();
}

總結(jié)·

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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