ByteBuffer详解

2020-11-11

Android

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之前对NIO开发不熟悉导致对ByteBuffer一直是一知半解的状态正好看到知乎上有个朋友写的不错于是转载过来

转自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/56876443

在Java nio中，主要有三大组件：Buffer，Channel和Selector。这三者之间的关系可以按照如下方式进行理解：

Buffer提供了一个字节缓冲区，其可以不断的从Channel中读取接收到的数据。Buffer的优点主要在于其提供了一系列的Api，能够让用户更方便的对数据进行读取和写入；
Channel简单来说就是一个信道，也就是客户端与服务器的一个连接，而且每个客户端都会对应一个Channel对象；
Selector是Java nio能够支持高并发数据处理一个关键，其核心理念就是IO多路复用的原理，简单的说就是当多个客户端（Channel）连接服务器时，可以通过Selector同时对这些客户端请求进行监听，当客户端发送数据到服务器之后由Selector对这些Channel进行分发处理。

本文首先讲解ByteBuffer的实现原理，然后会介绍ByteBuffer中常用的Api，以及其在使用过程中需要注意的点。

实现原理
对于ByteBuffer，其主要有五个属性：mark，position，limit，capacity和array。这五个属性的作用如下：
- mark：记录了当前所标记的索引下标；
- position：对于写入模式，表示当前可写入数据的下标，对于读取模式，表示接下来可以读取的数据的下标；
- limit：对于写入模式，表示当前可以写入的数组大小，默认为数组的最大长度，对于读取模式，表示当前最多可以读取的数据的位置下标；
- capacity：表示当前数组的容量大小；
- array：保存了当前写入的数据。
这几个数据中，除了array是用于保存数据的以外，这里最终的主要是position，limit和capacity三个属性，因为对于写入和读取模式，这三个属性的表示的含义大不一样。

1.1 写入模式
如下图所示为初始状态和写入3个字节之后position，limit和capacity三个属性的状态：

从图中可以看出，在写入模式下，limit指向的始终是当前可最多写入的数组索引下标，position指向的则是下一个可以写入的数据的索引位置，而capacity则始终不会变化，即为数组大小。

1.2 读取模式

假设我们按照上述方式在初始长度为6的ByteBuffer中写入了三个字节的数据，此时我们将模式切换为读取模式，那么这里的position，limit和capacity则变为如下形式：

可以看到，当切换为读取模式之后，limit则指向了最后一个可读取数据的下一个位置，表示最多可读取的数据；position则指向了数组的初始位置，表示下一个可读取的数据的位置；capacity还是表示数组的最大容量。这里当我们一个一个读取数据的时候，position就会依次往下切换，当期与limit重合时，就表示当前ByteBuffer中已没有可读取的数据了。

使用实例

对于ByteBuffer的基本使用方式，从上面的演示中就可以看出，其主要有初始化，写入，切换和读取几个基本操作。如下是ByteBuffer的一个基本使用示例：

public class ByteBufferApp {
  @Test
  public void testBuffer() {
    // 初始化一个大小为6的ByteBuffer
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6);
    print(buffer);  // 初始状态：position: 0, limit: 6, capacity: 6

    // 往buffer中写入3个字节的数据
    buffer.put((byte) 1);
    buffer.put((byte) 2);
    buffer.put((byte) 3);
    print(buffer);  // 写入之后的状态：position: 3, limit: 6, capacity: 6

    System.out.println("************** after flip **************");
    buffer.flip();
    print(buffer);  // 切换为读取模式之后的状态：position: 0, limit: 3, capacity: 6

    buffer.get();
    buffer.get();
    print(buffer);  // 读取两个数据之后的状态：position: 2, limit: 3, capacity: 6
  }

  private void print(ByteBuffer buffer) {
    System.out.printf("position: %d, limit: %d, capacity: %d\n",
      buffer.position(), buffer.limit(), buffer.capacity());
  }
}

在上面的示例中，我们首先创建一个最大容量为6的ByteBuffer，此时position为0，即初始状态，而limit为6，与最大容量一致。当我们往buffer中写入三个字节数据之后，此时的position为3，limit还是6，表示还可以继续往buffer中写入三个数据。当我们切换为读取模式之后，需要注意，此时buffer中写入了三个字节的数据，也就是说只有三个字节的数据可供读取，因而切换为读取模式之后，position指向了0，表示下一个可供读取的数据位置，而limit为3，即为之前写入的数据数量，而capacity始终为6，表示buffer的最大大小。

2.1 相关api

mark()
在前面我们讲过，ByteBuffer中海油一个mark属性，这个属性是一个标识的作用，即记录当前position的位置，在后续如果调用reset()或者flip()方法时，ByteBuffer的position就会被重置到mark所记录的位置。因而对于写入模式，在mark()并reset()后，将会回到mark记录的可以写入数据的位置；对于读取模式，在mark()并reset()后，将会回到mark记录的可以读取的数据的位置。如下是mark()方法分别演示写入和读取数据的示例：

public class ByteBufferApp {
  @Test
  public void testMark() {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6);
    // position: 0, limit: 6, capacity: 6

    buffer.put((byte) 1);
    buffer.put((byte) 2);
    buffer.put((byte) 3);
    // position: 3, limit: 6, capacity: 6

    buffer.mark();  // 写入三个字节数据后进行标记
    // position: 3, limit: 6, capacity: 6

    buffer.put((byte) 4); // 再次写入一个字节数据
    // position: 4, limit: 6, capacity: 6

    buffer.reset(); // 对buffer进行重置，此时将恢复到Mark时的状态
    // position: 3, limit: 6, capacity: 6

    buffer.flip();  // 切换为读取模式，此时有三个数据可供读取
    // position: 0, limit: 3, capacity: 6

    buffer.get(); // 读取一个字节数据之后进行标记
    buffer.mark();
    // position: 1, limit: 3, capacity: 6

    buffer.get(); // 继续读取一个字节数据
    // position: 2, limit: 3, capacity: 6

    buffer.reset(); // 进行重置之后，将会恢复到mark的状态
    // position: 1, limit: 3, capacity: 6
  }
}

rewind()
对于rewind()方法，它的主要作用在于将当前的position重置为0，并且mark重置为-1，而且无论mark是否进行过标记。很明显，rewind()和reset()方法都是进行重置的，但是reset()方法则是会优先重置到mark标记的位置。同理，对于写入模式，rewind()方法会重置为初始写入状态，对于读取模式，rewind()则会重置为初始读取模式，其不会对limit属性有任何影响。如下是rewind()方法的一个使用示例：

public class ByteBufferApp {
  @Test
  public void testRewind() {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6);
    // position: 0, limit: 6, capacity: 6

    buffer.put((byte) 1);
    buffer.put((byte) 2);
    buffer.put((byte) 3);
    // position: 3, limit: 6, capacity: 6

    buffer.rewind();  // 调用rewind()方法之后，buffer状态将会重置
    // position: 0, limit: 6, capacity: 6
  }
}

compact()
对于compact()方法，其主要作用在于在读取模式下进行数据压缩，并且方便下一步继续写入数据。比如在一个长度为6的ByteBuffer中写满了数据，然后在读取模式下读取了三个数据之后，我们想继续往buffer中写入数据，此时由于只有前三个字节是可用的，而后三个字节是有效的数据，此时如果写入的话是会把后面三个有效字节给覆盖掉的。因而需要将后面三个有效字节往前移动，以空出三个字节，并且将position指向下一个可供写入的位置，而不是迁移之后的索引0处。compact()方法的作用即在于此，如下是该方法的一个使用示例：

public class ByteBufferApp {
  @Test
  public void testCompact() {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6);
    buffer.put((byte) 1);
    buffer.put((byte) 2);
    buffer.put((byte) 3);
    buffer.put((byte) 4);
    buffer.put((byte) 5);
    buffer.put((byte) 6); // 初始化一个写满的buffer

    buffer.flip();
    // position: 0, limit: 6, capacity: 6  -- 切换为读取模式

    buffer.get();
    buffer.get();
    // position: 2, limit: 6, capacity: 6  -- 读取两个字节后，还剩余四个字节

    buffer.compact();
    // position: 4, limit: 6, capacity: 6  -- 进行压缩之后将从第五个字节开始

    buffer.put((byte) 7);
    // position: 5, limit: 6, capacity: 6  -- 写入一个字节数据的状态
  }
}

小结
本文首先展示了ByteBuffer在写入模式和读取模式下内部的一个状态，然后简单讲解了ByteBuffer的使用方式，并且展示了ByteBuffer各个常用Api的作用和用法。

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