Java NIO Buffer实现原理详解

目录

• 1、Buffer的继承体系
• 2、Buffer的操作API使用案例
• 3、Buffer的基本原理
• 4、allocate方法初始化一个指定容量大小的缓冲区
• 5、slice方法缓冲区分片
• 6、只读缓冲区
• 7、直接缓冲区
• 8、内存映射

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-26 3:51 下午
 */
public class IntBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量。
        // 新缓冲区的当前位置为0，其界限（限制位置）为其容量。它具有一个底层实现数组，其数组偏移量为0。
        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);
        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            int j = 2 * (i + 1);
            // 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增。
            buffer.put(j);
        }
        // 重设此缓冲区，将限制位置设置为当前位置，然后将当前位置设置为0。
        buffer.flip();
        // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素：
        while (buffer.hasRemaining()){
            // 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增。
            int j = buffer.get();
            System.out.print(j + " ");
        }
    }
}

public abstract class Buffer {
    // 三个字段属性之间的数值关系：0 <= position <= limit <= capacity
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;
    ...
}

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-26 4:09 下午
 */
public class BufferDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("/Users/csp/IdeaProjects/netty-study/test.txt");
        // 创建文件的操作管道
        FileChannel channel = fileInputStream.getChannel();
        // 分配一个容量为10的缓冲区（本质上就是一个容量为10的byte数组）
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        output("初始化", buffer);
        channel.read(buffer);// 从管道将数据读取到buffer容器中
        output("调用read()", buffer);
        // 准备操作之前，先锁定操作范围：
        buffer.flip();
        output("调用flip()", buffer);
        // 判断有没有可读数据
        while (buffer.remaining() > 0){
            byte b = buffer.get();
        }
        output("调用get()", buffer);
        // 可以理解为解锁
        buffer.clear();
        output("调用clear()", buffer);
        // 最后把管道关闭
        fileInputStream.close();
    }
    /**
     * 将缓冲区里的实时状态打印出来
     *
     * @param step
     * @param buffer
     */
    public static void output(String step, Buffer buffer) {
        System.out.println(step + " : ");
        // 容量（数组大小）：
        System.out.print("capacity" + buffer.capacity() + " , ");
        // 当前操作数据所在的位置，也可以叫做游标：
        System.out.print("position" + buffer.position() + " , ");
        // 锁定值，flip，数据操作范围索引只能在 position - limit 之间：
        System.out.println("limit" + buffer.limit());
        System.out.println();
    }
}

// 分配一个容量为10的缓冲区（本质上就是一个容量为10的byte数组）
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
// 从管道将数据读取到buffer容器中 
channel.read(buffer);
output("调用read()", buffer);

// 准备操作之前，先锁定操作范围：
buffer.flip();
output("调用flip()", buffer);

// 判断有没有可读数据
while (buffer.remaining() > 0){
    byte b = buffer.get();
}
output("调用get()", buffer);

// 可以理解为解锁
buffer.clear();
output("调用clear()", buffer);
// 最后把管道关闭
fileInputStream.close();

// 位于ByteBuffer下
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 新建一个ByteBuffer数组对象，容量为：capacity，limit参数值为：capacity
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
// 位于HeapByteBuffer下，父类为：ByteBuffer
HeapByteBuffer(int cap, int lim) {
    super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);// 调用ByteBuffer的有参构造函数
}
// 位于ByteBuffer下，父类为：Buffer
ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap,
                 byte[] hb, int offset){
    super(mark, pos, lim, cap);// 调用 Buffer构造函数
    this.hb = hb;// final byte[] hb; 不可变的byte数组
    this.offset = offset;// 偏移量
}
// Buffer构造函数
Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {
    if (cap < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);
    this.capacity = cap;// 数组容量
    limit(lim);// 数组的了limit
    position(pos);// 数组的positio
    if (mark >= 0) {
        if (mark > pos)
            throw new IllegalArgumentException("mark > position: ("
                                               + mark + " > " + pos + ")");
        this.mark = mark;
    }
}

// 初始化一个byte数组
byte[] bytes = new byte[10];
// 将该数组包装给ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(bytes);

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-28 6:20 下午
 */
public class BufferSlice {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 向缓冲区中put数据: 0~9
        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            buffer.put((byte) i);
        }
        // 创建子缓冲区：即从数组下标为3的位置到下标为7的位置
        buffer.position(3);
        buffer.limit(7);
        ByteBuffer slice = buffer.slice();
        // 改变子缓冲区的内容
        for (int i = 0; i < slice.capacity(); i++) {
            byte b = slice.get(i);
            b *= 10;
            slice.put(i, b);
        }
        // position和limit恢复到初始位置：
        buffer.position(0);
        buffer.limit(buffer.capacity());
        // 输出buffer容器中的内容：
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(buffer.get());
        }
    }
}

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-28 6:33 下午
 */
public class ReadOnlyBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一个容量为10的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 向缓冲区中put数据: 0~9
        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            buffer.put((byte) i);
        }
        // 将该缓冲区转变为只读缓冲区
        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        // 由于buffer和readOnlyBuffer本质上共享一个byte[]数组对象，
        // 所以，改变buffer缓冲区的内容时，会导致只读缓冲区readOnlyBuffer的内容也随着改变。
        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            byte b = buffer.get(i);
            b *= 10;
            buffer.put(i, b);
        }
        // position和limit恢复到初始位置：
        readOnlyBuffer.position(0);
        readOnlyBuffer.limit(buffer.capacity());
        // 输出readOnlyBuffer容器中的内容：
        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(readOnlyBuffer.get());
        }
    }
}

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-28 7:07 下午
 */
public class DirectBuffer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 从磁盘中读取test.txt文件内容
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("/Users/csp/IdeaProjects/netty-study/test.txt");
        // 创建文件的操作管道
        FileChannel inputStreamChannel = fileInputStream.getChannel();
        // 把读取的内容写入到新的文件中
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/Users/csp/IdeaProjects/netty-study/test2.txt");
        FileChannel outputStreamChannel = fileOutputStream.getChannel();
        // 创建直接缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        while (true){
            byteBuffer.clear();
            int read = inputStreamChannel.read(byteBuffer);
            if (read == -1){
                break;
            }
            byteBuffer.flip();
            outputStreamChannel.write(byteBuffer);
        }
    }
}

/**
 * @author csp
 * @date 2021-11-28 7:16 下午
 */
public class MapperBuffer {
    static private final int start = 0;
    static private final int size = 10;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("/Users/csp/IdeaProjects/netty-study/test.txt", "rw");
        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
        // 把缓冲区跟文件系统进行一个映射关联，只要操作缓冲区里面的内容，文件内容也会随之改变
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, start, size);
        mappedByteBuffer.put(4, (byte) 97);// a
        mappedByteBuffer.put(5, (byte) 122);// z
        randomAccessFile.close();
    }
}