49天精通Java，第43天，缓冲区数据结构bytebuffer

专栏导读

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一、缓冲区

缓冲区是由具有相同类型的数值构成的数组，Buffer是一个抽象类，它有很多子类，包括ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

每个缓冲区都具有4个属性：

1. 容量capacity，缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定，且永远不能被改变；
2. 读写位置position，下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get() 和 put() 函数更新。 这里需要注意的是positon的位置是从0开始，比如，已经写入buffer 3个元素那那么position就是指向第4个位置，即position设置为3（数组从0开始计）；
3. 界限limit，缓冲区的第一个不能被读或写的元素。缓冲区创建时，limit 的值等于 capacity 的值。假设 capacity = 1024，我们在程序中设置了 limit = 512，说明Buffer 的容量为 1024，但是从 512 之后既不能读也不能写，因此可以理解成，Buffer 的实际可用大小为 512；
4. 可选的标记 mark，标记，一个备忘位置。保存某个时刻的position指针的值，通过调用mark()实现，当mark被置为负值时，表示废弃标记。标记在设定前是未定义的(undefined)。使用场景是，假设缓冲区中有 10 个元素，position 目前的位置为 2(也就是如果get的话是第三个元素)，现在只想发送 6 - 10 之间的缓冲数据，此时我们可以 buffer.mark(buffer.position())；即把当前的 position 记入 mark 中，然后 buffer.postion(6)；此时发送给 channel 的数据就是 6 - 10 的数据。发送完后，我们可以调用 buffer.reset() 使得 position = mark，因此这里的 mark 只是用于临时记录一下位置用的。

position和limit之间的距离指定了可读/写的字节数。

-1 <= mark <= position <= limit <= capacity
0<= position <= limit <= capacity

使用缓冲区的主要目的是执行读写循环操作。

假设我们有一个缓冲区，在一开始，它的位置是0，界限等于容量。我们不断地调用put将值添加到这个缓冲区中，当我们耗尽所有的数据或者写出的数据量达到容量大小时，就该切入到读操作了。

这时可以调用flip方法将界限设置到当前位置，并把位置复位到0.现在在remaining方法返回正数时（它返回的值是界限 - 位置），不断地调用get。在我们将缓冲区中所有的值都写入之后，调用clear使缓冲区为下一次写循环做好准备。clear方法将位置复位到0，并将界限复位到容量。

如果想重读缓冲区，可以使用rewind或mark/reset进行复位。

然后可以 用某个通道的数据填充缓冲区，或者将缓冲区的内容写出到通道中。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(RECORD_SIZE);
channel.read(buffer);
channel.position(newpos);
buffer.flip();
channel.write(buffer);

Buffer及其子类都不是线程安全的，若多线程操作该缓冲区，则应通过同步来控制对该缓冲区的访问。

二、常用方法

1、clear()

position设为0，把limit设为capacity，取消标记，一般在把数据写入Buffer前调用，Buffer中的数据并未清除，只是这些标记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()方法以后，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。

2、 compact()

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。

3、flip()

把limit设为当前position，把position设为0，取消标记，一般在从Buffer中读取数据前调用。

4、rewind()

把position设为0，limit不变，一般在把数据重写入Buffer前调用。

5、hasRemaining()

当缓冲区至少还有一个元素时，返回true。

6、remaining()

position和limit之间字节个数

7、 reset()

将position的值还原成上次调用mark()方法后的position的值。

8、allocate()

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，用静态方法 allocate() 来分配缓冲区。

9、wrap()

将一个已有的byte数组包装出一个新的bytebuffer对象。

10、slice()

根据现有的缓冲区创建一个子缓冲区。也就是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，子缓冲区和缓冲区 共享同一个底层数据数组，分片操作是根据当前position以及limit的值来确定的。

11、order()

返回ByteBuffer的字节序。

三、通道获取

1、从 FileInputStream / FileOutputStream 中获取

从 FileInputStream 对象中获取的通道是以读的方式打开文件，从 FileOutpuStream 对象中获取的通道是以写的方式打开文件。

FileOutputStream ous = new FileOutputStream(new File("nezha.txt"));
// 获取一个只读通道
FileChannel out = ous.getChannel(); 
FileInputStream ins = new FileInputStream(new File("nezha.txt"));
// 获取一个只写通道
FileChannel in = ins.getChannel();  

2、从 RandomAccessFile 中获取

从 RandomAccessFaile 中获取的通道取决于 RandomAccessFaile 对象是以什么方式创建的，“r”, “w”, “rw” 分别对应着读模式，写模式，以及读写模式。

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("a.txt", "rw");
// 获取一个可读写文件通道
FileChannel channel = file.getChannel(); 

3、通过 FileChannel.open()获取

通过静态静态方法 FileChannel.open() 打开的通道可以指定打开模式，模式通过 StandardOpenOption 枚举类型指定。

// 以只读的方式打开一个文件 nezha.txt 
FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("nezha.txt"), StandardOpenOption.READ); 的通道

四、写入数据

1、从单个缓冲区写入

单个缓冲区操作也非常简单，它返回往通道中写入的字节数。

FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("a.txt"), StandardOpenOption.WRITE);
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(5);
byte[] data = "Hello, Java NIO.".getBytes();
for (int i = 0; i < data.length; ) {
    buf.put(data, i, Math.min(data.length - i, buf.limit() - buf.position()));
    buf.flip();
    i += channel.write(buf);
    buf.compact();
}
channel.force(false);
channel.close();

2、从多个缓冲区写入

FileChannel 实现了 GatherringByteChannel 接口，与 ScatteringByteChannel 相呼应。可以一次性将多个缓冲区的数据写入到通道中。

FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("nezha.txt"), StandardOpenOption.WRITE);
ByteBuffer key = ByteBuffer.allocate(10), value = ByteBuffer.allocate(10);
byte[] data = "017 Robothy".getBytes();
key.put(data, 0, 3);
value.put(data, 4, data.length-4);
ByteBuffer[] buffers = new ByteBuffer[]{key, value};
key.flip();
value.flip();
channel.write(buffers);
channel.force(false);
channel.close();

五、读取数据

读取数据的 read(ByteBuffer buf) 方法返回的值表示读取到的字节数，如果读到了文件末尾，返回值为 -1。读取数据时，position 会往后移动。

1、将数据读取到单个缓冲区

和一般通道的操作一样，数据也是需要读取到1个缓冲区中，然后从缓冲区取出数据。在调用 read 方法读取数据的时候，可以传入参数 position 和 length 来指定开始读取的位置和长度。

FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("nezha.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(5);
while(channel.read(buf)!=-1){
    buf.flip();
    System.out.print(new String(buf.array()));
    buf.clear();
}
channel.close();

2、读取到多个缓冲区

文件通道 FileChannel 实现了 ScatteringByteChannel 接口，可以将文件通道中的内容同时读取到多个 ByteBuffer 当中，这在处理包含若干长度固定数据块的文件时很有用。

ScatteringByteChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("a.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer key = ByteBuffer.allocate(5), value=ByteBuffer.allocate(10);
ByteBuffer[] buffers = new ByteBuffer[]{key, value};
while(channel.read(buffers)!=-1){
    key.flip();
    value.flip();
    System.out.println(new String(key.array()));
    System.out.println(new String(value.array()));
    key.clear();
    value.clear();
}
channel.close();

六、视图缓冲区

可以用ByteBuffer对象创建其他类型的缓冲区，新缓冲区共享原始ByteBuffer的全部或者部分内存，这样的缓冲区被叫做视图缓冲区，就是通过源缓冲区创建其他的基础数据类型的缓冲区，新缓冲区和源缓冲区共享数据，但各自维护自己的属性(capacity、limit、position、mark)。

七、使用Buffer读/写数据一般遵循以下四个步骤

1. 写入数据到Buffer；
2. 调用flip()方法；
3. 从Buffer中读取数据；
4. 调用clear()方法或者compact()方法；

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。

有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。