Java IO — NIO Buffer | Honesty Blog

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Buffer 核心原理

Capacity

Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity容量，缓冲区就满了，不能再写入了。

Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时，会按照capacity分配内部数组的内存，在数组内存分配好之后，它的大小当然就不能改变了。

前面讲到，Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来新建对象。在具体使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如DoubleBuffer子类，该子类能写入的数据类型是double类型，如果在创建实例时其capacity是100，那么我们最多可以写入100个double类型的数据。

capacity容量并不是指内部的内存块byte[]数组的字节数量，而是指能写入的数据对象的最大限制数量。

Position

Buffer类的position属性，表示当前的位置。position属性的值与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，position属性值的含义是不同的，在缓冲区进行读写的模式改变时，position值会进行相应的调整。

在写入模式下，position的值变化规则如下：

在刚进入到写入模式时，position值为0，表示当前的写入位置为从头开始。

每当一个数据写到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写的位置。

初始的position值为0，最大可写值为limit–1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。

在读模式下，position的值变化规则如下：

当缓冲区刚开始进入到读取模式时，position会被重置为0。

当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。

在读模式下，limit表示可以读上限。position的最大值，为最大可读上限limit，当position达到limit时，表明缓冲区已经无数据可读。

Buffer的读写模式具体如何切换呢？当新建了一个缓冲区实例时，缓冲区处于写入模式，这时是可以写数据的。在数据写入完成后，如果要从缓冲区读取数据，这就要进行模式的切换，可以使用（即调用）flip翻转方法，将缓冲区变成读取模式。

在从写入模式到读取模式的flip翻转过程中，position和limit属性值会进行调整，具体的规则是：

limit属性被设置成写入模式时的position值，表示可以读取的最大数据位置；

position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。

Limit

Buffer类的limit属性，表示可以写入或者读取的最大上限，其属性值的具体含义，也与缓冲区的读写模式有关，在不同的模式下，limit的值的含义是不同的，具体分为以下两种情况：

在写入模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入到写入模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity容量值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。

在读取模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。

一般来说，在进行缓冲区操作时，是先写入然后再读取的。当缓冲区写入完成后，就可以开始从Buffer读取数据，可以使用flip翻转方法，这时，limit的值也会进行调整。具体如何调整呢？将写入模式下的position值，设置成读取模式下的limit值，也就是说，将之前写入的最大数量，作为可以读取的上限值。

Buffer在flip翻转时的属性值调整，主要涉及position、limit两个属性，但是这种调整比较微妙，不是太好理解，下面是一个简单例子：

首先，创建缓冲区。新创建的缓冲区处于写入模式，其position值为0，limit值为最大容量capacity。

然后，向缓冲区写数据。

每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。这里假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。

最后，使用flip方法将缓冲区切换到读模式。limit的值，先会被设置成写入模式时的position值，所以新的limit值是5，表示可以读取的最大上限是5。之后调整position值，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。

缓冲区切换到读模式后，就可以从缓冲区读取数据了，一直到缓冲区的数据读取完毕。

除了以上capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）三个重要属性之外，Buffer还有一个比较重要的标记属性：mark（标记）属性。该属性的大致作用为：在缓冲区操作过程当中，可以将当前的position的值临时存入mark属性中；需要的时候，可以再从mark中取出暂存的标记值，恢复到position属性中，重新从position位置开始处理。

Buffer类的重要方法

本小节将详细介绍Buffer类常用的几个方法，包含Buffer实例创建、对Buffer实例的写入、读取、重复读、标记和重置等。

allocate()创建缓冲区

在使用Buffer（缓冲区）实例之前，我们首先需要获取Buffer子类的实例对象，并且分配内存空间。如果需要获取一个Buffer实例对象，并不是使用子类的构造器来创建一个实例对象，而是调用子类的allocate()方法。

下面的程序片段，演示如何获取一个整型的Buffer实例对象，代码如下：

例中，IntBuffer是具体的Buffer子类，通过调用IntBuffer.allocate(20)，创建了一个Intbuffer实例对象，并且分配了20*4个字节的内存空间。运行程序之后，通过程序的输出结果，我们可以查看一个新建缓冲区实例对象的主要属性值，如下所示：

从上面的运行结果，可以看出：一个缓冲区在新建后，处于写入的模式，position属性（代表写入位置）的值为0，缓冲区的capacity容量值也是初始化时allocate方法的参数值（这里是20），而limit最大可写上限值也为的allocate方法的初始化参数值。

put()写入到缓冲区

在调用allocate方法分配内存、返回了实例对象后，缓冲区实例对象处于写模式，可以写入对象，而如果要写入对象到缓冲区，需要调用put方法。put方法很简单，只有一个参数，即为所需要写入的对象。只不过，写入的数据类型要求与缓冲区的类型保持一致。

接着前面的例子，向刚刚创建的intBuffer缓存实例对象中，写入的5个整数，代码如下：

写入5个元素后，同样输出缓冲区的主要属性值，输出的结果如下：

从结果可以看到，写入了5个元素之后，缓冲区的position属性值变成了5，所以指向了第6个（从0开始的）可以进行写入的元素位置。而limit最大可写上限、capacity最大容量两个属性的值，都没有发生变化。

flip()翻转

向缓冲区写入数据之后，是否可以直接从缓冲区中读取数据呢？呵呵，不能。为什么呢？这时缓冲区还处于写模式，如果需要读取数据，还需要将缓冲区转换成读模式。flip()翻转方法是Buffer类提供的一个模式转变的重要方法，它的作用就是将写入模式翻转成读取模式。

接着前面的例子，演示一下flip()方法的使用：

在调用flip方法进行缓冲区的模式翻转之后，通过程序的输出内容可以看到，缓冲区的属性有了奇妙的变化，具体如下：

调用flip方法后，新模式下可读上限limit的值，变成了之前写入模式下的position属性值，也就是5；而新的读取模式下的position值，简单粗暴地变成了0，表示从头开始读取。

对flip()方法的从写入到读取转换的规则，再一次详细的介绍如下：

首先，设置可读上限limit的属性值。将写入模式下的缓冲区中内容的最后写入位置position值，作为读取模式下的limit上限值。

其次，把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读。

最后，清除之前的mark标记，因为mark保存的是写入模式下的临时位置，发生模式翻转后，如果继续使用旧的mark标记，会造成位置混乱。

有关上面的三步，其实可以查看Buffer.flip()方法的源代码，具体代码如下：

当然，新的问题来了：在读取完成后，如何再一次将缓冲区切换成写入模式呢？答案是：可以调用Buffer.clear()

清空或者Buffer.compact()压缩方法，它们可以将缓冲区转换为写模式。总体的Buffer模式转换，大致如图缓冲区读写模式的转换所示。

get()从缓冲区读取

使用调用flip方法将缓冲区切换成读取模式之后，就可以开始从缓冲区中进行数据读取了。读取数据的方法很简单，可以调用get方法每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。

接着前面flip的使用实例，演示一下缓冲区的读取操作，代码如下：

以上代码调用get方法从缓冲实例中先读取2个，再读取3个元素，运行后，输出的结果如下：

从程序的输出结果，我们可以看到，读取操作会改变可读位置position的属性值，而limit可读上限值并不会改变。在position值和limit的值相等时，表示所有数据读取完成，position指向了一个没有数据的元素位置，已经不能再读了。此时再读，会抛出BufferUnderflowException异常。

那么，在读完之后是否可以立即对缓冲区进行数据写入呢？答案是不能。现在还处于读取模式，我们必须调用Buffer.clear()或Buffer.compact()方法，即清空或者压缩缓冲区，将缓冲区切换成写入模式，让其重新可写。

此外还有一个问题：缓冲区是不是可以重复读呢？答案是可以的，既可以通过倒带方法rewind()去完成，也可以通过mark(

)和reset( )两个方法组合实现。

rewind()倒带

已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。

接着前面的示例代码，继续rewind方法使用的演示，示例代码如下：

这个范例程序的执行结果如下：

rewind()方法，主要是调整了缓冲区的position属性与mark标记属性，具体的调整规则如下：

position重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据；

limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从缓冲区中读取的元素数量；

mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了。

从JDK中可以查阅到Buffer.rewind()方法的源代码，具体如下：

通过源代码，我们可以看到rewind()方法与flip()很相似，区别在于：倒带方法rewind()不会影响limit属性值；而翻转方法flip()会重设limit属性值。

在rewind倒带之后，就可以再一次读取，重复读取的示例代码如下：

这段代码，和前面的读取示例代码基本相同，只是增加了一个mark调用。大家可以通过随书源码工程执行以上代码并观察输出结果，具体的输出与前面的类似，这里不做赘述。

mark()和reset()

mark()和reset()两个方法是成套使用的：Buffer.mark()方法将当前position的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；之后，可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。

说明

Buffer.mark()和Buffer.reset()两个方法都涉及到mark属性的使用。mark()方法与mark属性，二者的名字虽然相同，但是一个是Buffer类的成员方法，另一个是Buffer类的成员属性，不能混淆。

例如，可以在前面重复读取的示例代码中，在读到第3个元素（i为2时）时，可以调用mark()方法，把当前位置position的值保存到mark属性中，这时mark属性的值为2。

然后，就可以调用reset()方法，将mark属性的值恢复到position中，这样就可以从位置2（第三个元素）开始重复读取。

继续接着前面重复读取的代码，进行mark()方法和reset()方法的示例演示，代码如下：

在上面的代码中，首先调用reset()把mark中的值恢复到position中，因此读取的位置position就是2，表示可以再次开始从第3个元素开始读取数据。上面的程序代码的输出结果是：

调用reset方法之后，position的值为2，此时去读取缓冲区，输出了后面的三个元素为2、3、4。

clear()清空缓冲区

在读取模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写入模式。此方法的作用：

会将position清零；

limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。

接着上面的实例，演示一下clear( )方法的使用，大致的代码如下：

这个程序运行之后，结果如下：

在缓冲区处于读取模式时，调用clear()，缓冲区会被切换成写入模式。调用clear()之后，我们可以看到清空了position（写入的起始位置）的值，其值被设置为0，并且limit值（写入的上限）为最大容量。

总体来说，使用Java NIO Buffer类的基本步骤如下:
（1）使用创建子类实例对象的allocate( )方法，创建一个Buffer类的实例对象。
（2）调用put( )方法，将数据写入到缓冲区中。
（3）写入完成后，在开始读取数据前，调用Buffer.flip( )方法，将缓冲区转换为读模式。
（4）调用get( )方法，可以从缓冲区中读取数据。
（5）读取完成后，调用Buffer.clear()方法或Buffer.compact()方法，将缓冲区转换为写入模式，可以继续写入