【基础篇】netty源码死磕1.2:
NIO Buffer
1. Java NIO Buffer
Buffer是一个抽象类，位于java.nio包中，主要用作缓冲区。Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。
注意：Buffer是非线程安全类。
1.1. Buffer类型的标记属性
Buffer在内部也是利用byte[]作为内存缓冲区，只不过多提供了一些标记变量属性而已。当多线程访问的时候，可以清楚的知道当前数据的位置。
有三个重要的标记属性：capacity、position、limit。
除此之外，还有一个标记属性：mark，可以临时保持一个特定的position，需要的时候，可以恢复到这个位置。
1.1.1. capacity
作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”。你只能往里写capacity个数据。一旦Buffer满了，就不能再写入。
capacity与缓存的数据类型相关。指的不是内存的字节的数量，而是写入的对象的数量。比如使用的是一个保存double类型的Buffer（DoubleBuffer），写入的数据是double类型， 如果其 capacity 是100，那么我们最多可以写入100个 double 数据.
capacity一旦初始化，就不能不会改变。
原因是什么呢？
Buffer对象在初始化时，会按照capacity分配内部的内存。内存分配好后，大小就不能变了。分配内存时，一般使用Buffer的抽象子类ByteBuffer.allocate()方法，实际上是生成ByteArrayBuffer类。
1.1.2. position
position表示当前的位置。position在Buffer的两种模式下的值是不同的。
读模式下的position的值为：
当读取数据时，也是从position位置开始读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。
写模式下的position的值为：
在写模式下，当写数据到Buffer中时，position表示当前的写入位置。初始的position值为0，position最大可为capacity – 1。
每当一个数据（byte、long等）写到Buffer后， position会向后移动到下一个可插入数据的可写的位置。
1.1.3. limit
limit表示最大的限制。在Buffer的两种模式下，limit的值是不同的。
读模式下的limit的值为：
读模式下，Buffer的limit表示最多能从Buffer里读多少数据。当Buffer从写切换到读模式时，limit的值，设置成写模式的position 值，也是是写模式下之前写入的数量值。
举一个简单的例子，说明一下读模式下的limit值：
先向Buffer写数据，Buffer在写模式。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，值加一。假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。这时，就可以读取数据了。当开始读取数据时，Buffer切换到读模式。limit的值，先会被设置成写入数据时的position值。这里是5，表示可以读取的最大限制是5个数。
写模式下的limit的值为：
limit表示表示可以写入的数据最大限制。在切换成写模式时，limit的值会被更改，设置成Buffer的capacity，为Buffer的容量。
1.1.4. 总结：
在Buffer的四个属性之间，有一个简单的数量关系，如下：
capacity>=limit>=position>=mark>=0
用一个表格，对着4个属性的进行一下对比：
属性 | 描述 |
capacity | 容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变 |
limit | 上界，缓冲区中当前数据量 |
position | 位置，下一个要被读或写的元素的索引 |
mark（位置标记） | 调用mark(pos)来设置mark=pos，再调用reset()可以让position恢复到标记的位置即position=mark |
1.2. Buffer 类型
在NIO中主要有八种缓冲区类，分别如下:
ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
MappedByteBuffer
这些 Buffer 覆盖了能从 IO 中传输的所有的 Java 基本数据类型。其中MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer)。
1.3. Buffer中的方法
本节结合Buffer的几个方法，做了一个完整的实例，包含了从Buffer实例的获取、写入、读取、重复读、标记和重置等一个系列操作的完整流程。
1.3.1. 获取allocate（）方法
为了获取一个 Buffer 对象，我们首先需要分配内存空间。分配内存空间使用allocate()方法。
public static void allocatTest()
{
byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);
Logger.info("------------after allocate------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);
这里我们分配了20* sizeof(int)字节的内存空间.
输出的结果如下：
main |> 分配内存
allocatTest |> ------------after allocate------------------
allocatTest |> position=0
allocatTest |> limit=20
allocatTest |> capacity=20
通过结果，可以看到Buffer属性的值。
1.3.2. 写put()方法
调用allocate分配内存后，buffer处于写模式。可以通过buffer的put方法写入数据。put方法有一个要求，需要写入的数据类型与Buffer的类型一致。
接着前面的例子，继续上写入的实例代码：
public static void putTest()
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
byteBuffer.put(i);
}
Logger.info("------------after put------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}写入5个元素后，输出的结果为：
main |> 写入
putTest |> ------------after putTest------------------
putTest |> position=5
putTest |> limit=20
putTest |> capacity=20
调用了put方法后，buffer处于写模式。写入5个数据后，可以看到，position 变成了5，指向了第6个可以写入的元素位置。
除了在新建的buffer之后，如何将buffer切换成写模式呢？
调用 Buffer.clear() 清空或 Buffer.compact()压缩方法，可以将 Buffer 转换为写模式。
1.3.3. 读切换flip()方法
put方法写入数据之后，可以直接从buffer中读吗？
呵呵，不能。
还需要调用filp（）走一个转换的工作。flip()方法是Buffer的一个模式转变的重要方法。简单的说，是写模式翻转成读模式——写转读。
接着前面的例子，继续上flip（）方法的例子代码：
public static void flipTest()
{
byteBuffer.flip();
Logger.info("------------after flip ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}接着上一步的写入，在调用flip之后，buffer的属性有一些奇妙的变化。
运行上面的程序，输出如下：
main |> 翻转
flipTest |> ------------after flipTest ------------------
flipTest |> position=0
flipTest |> limit=5
flipTest |> capacity=20
注意到没有，position从前一个小节的5，变成了0。而limit的保存了之前的position，从20变成5。
这是为什么呢？ 先看其源码，Buffer.flip()方法的源码如下：
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = UNSET_MARK;
return this;
}
解释一下啊，flip()方法主要是从读模式切换成写模式，调整的规则是：
（1）首先设置可读的长度limit。将写模式下的Buffer中内容的最后位置position值变为读模式下的limit位置值，新的limit值作为读越界位置；
（2）其次设置读的起始位置。将当position值置为0，表示从0位置开始读。转换后重头开始读。
（3）如果之前有mark保存的标记位置，还要消除。因为那是写模式下的mark标记。
1.3.4. 读get() 方法
get()读数据很简单，每次从postion的位置读取一个数据，并且进行相应的buffer属性的调整。
接着前面的例子，继续上读取buffer的例子代码：
public static void getTest()
{
Logger.info("------------after &getTest 2------------------");
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
Logger.info("------------after &getTest 3------------------");
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}先读2个，再读3个，输出的Buffer属性值如下：
main |> 读取
getTest |> ------------after &getTest 2------------------
getTest |> j = 0
getTest |> j = 1
getTest |> position=2
getTest |> limit=5
getTest |> capacity=20
getTest |> ------------after &getTest 3------------------
getTest |> j = 2
getTest |> j = 3
getTest |> j = 4
getTest |> position=5
getTest |> limit=5
getTest |> capacity=20
读完之后，缓存的position 值变成了一个没有数据的元素位置，和limit的值相等，已经不能在读了。
读完之后，是否可以直接写数据呢？
不能。一旦读取了所有的 Buffer 数据，那么我们必须清理 Buffer，让其重新可写，可以调用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()。
1.3.5. 倒带rewind()方法
已经读完的数据，需要再读一遍，可以直接使用get方法吗？
答案是，不能。怎么办呢？
使用rewind() 方法，可以进重复读的设置。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样，倒回去，重新播放。
接着前面的例子，继续上重复读的例子代码：
public static void rewindTest()
{
byteBuffer.rewind();
Logger.info("------------after flipTest ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}实例的结果如下：
main |> 重复读
rewindTest |> ------------after flipTest ------------------
rewindTest |> position=0
rewindTest |> limit=5
rewindTest |> capacity=20
flip()方法主要是调整Buffer的 position 属性，调整的规则是：
（1）position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据；
（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。
Buffer.rewind()方法的源码如下：
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
看到了实现的源码应该就会清楚flip()的作用了。rewind()方法与flip()很相似，区别在于rewind()不会影响limit，而flip()会重设limit属性值。
1.3.6. mark( )和reset( )
Buffer.mark()方法将当前的 position 的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住当前位置，之后可以调用Buffer.reset()方法将 position 的值恢复回来。
Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是一一配套使用的。都是需要操作mark属性。
在重复读的实例代码中，读到第3个元素，使用mark（）方法，设置一下mark 属性，保存为第3个元素的位置。
下面上实例，演示一下mark和reset的结合使用。
实例继续接着上面的rewind倒带后的buffer 状态，开始reRead重复读，实例代码如下：
public static void reRead()
{
Logger.info("------------after reRead------------------");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
if (i == 2)
{
byteBuffer.mark();
}
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}然后接着上一段reset（）实例代码，如下：
public static void afterReset()
{
Logger.info("------------after reset------------------");
byteBuffer.reset();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}上面我们调用 mark() 方法将当前的 position 保存起来(在读模式，因此保存的是读的 position)。接着使用 reset() 恢复原来的读 position，因此读 position 就为3，可以再次开始从第2个元素读取数据.
输出的结果是：
afterReset |> ------------after reset------------------
afterReset |> position=3
afterReset |> limit=5
afterReset |> capacity=20
调用reset之后，position的值为3，表示可以从第三个元素开始读。
Buffer.mark()和Buffer.reset()其实很简答，其源码如下：
public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}
public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}
1.3.7. clear（）清空
clear（）方法的作用有两种：
（1）写模式下，当一个 buffer 已经写满数据时，调用 clear（）方法，切换成读模式，可以从头读取 buffer 的数据；
（2）读模式下，调用 clear（）方法，将buffer切换为写模式，将postion为清零，limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到buffer写满。
接着上面的实例，使用实例代码，演示一下clear方法。
代码如下：
public static void clearDemo()
{
Logger.info("------------after clear------------------");
byteBuffer.clear();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}运行之后，结果如下：
main |> 清空
clearDemo |> ------------after clear------------------
clearDemo |> position=0
clearDemo |> limit=20
clearDemo |> capacity=20
在clear（）之前，buffer是在读模式下。clear（）之后，可以看到，清空了position 的值，设置为起始位置。
clear 方法源码:
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
根据源码我们可以知道，clear 将 positin 设置为0，将 limit 设置为 capacity。
1.4. Buffer 的使用
1.4.1. 使用的基本步骤
总结一下，使用 NIO Buffer 的步骤如下:
一：将数据写入到 Buffer 中；
二：调用 Buffer.flip()方法，将 NIO Buffer 转换为读模式；
三：从 Buffer 中读取数据；
四：调用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()方法，将 Buffer 转换为写模式。
当我们将数据写入到 Buffer 中时，Buffer 会记录我们已经写了多少的数据；当我们需要从 Buffer 中读取数据时，必须调用 Buffer.flip()将 Buffer 切换为读模式。
1.4.2. 完整的实例代码
package com.crazymakercircle.iodemo.base;
import com.crazymakercircle.util.Logger;
import java.nio.IntBuffer;
public class BufferDemo
{
static IntBuffer byteBuffer = null;
public static void allocatTest()
{
byteBuffer = IntBuffer.allocate(20);
Logger.info("------------after allocate------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void putTest()
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
byteBuffer.put(i);
}
Logger.info("------------after putTest------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void flipTest()
{
byteBuffer.flip();
Logger.info("------------after flipTest ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void rewindTest()
{
byteBuffer.rewind();
Logger.info("------------after flipTest ------------------");
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void getTest()
{
Logger.info("------------after &getTest 2------------------");
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
Logger.info("------------after &getTest 3------------------");
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void reRead()
{
Logger.info("------------after reRead------------------");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int j = byteBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
if (i == 2)
{
byteBuffer.mark();
}
}
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void afterReset()
{
Logger.info("------------after reset------------------");
byteBuffer.reset();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void clearDemo()
{
Logger.info("------------after clear------------------");
byteBuffer.clear();
Logger.info("position=" + byteBuffer.position());
Logger.info("limit=" + byteBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + byteBuffer.capacity());
}
public static void main(String[] args)
{
Logger.info("分配内存");
allocatTest();
Logger.info("写入");
putTest();
Logger.info("翻转");
flipTest();
Logger.info("读取");
getTest();
Logger.info("重复读");
rewindTest();
reRead();
Logger.info("make&reset写读");
afterReset();
Logger.info("清空");
clearDemo();
}
}
源码：
代码工程: JavaNioDemo.zip
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