【基礎篇】netty源碼死磕1.2: NIO Buffer
1. Java NIO Buffer
Buffer是一個抽象類，位于java.nio包中，主要用作緩沖區。Buffer緩沖區本質上是一塊可以寫入資料，然後可以從中讀取資料的記憶體。這塊記憶體被包裝成NIO Buffer對象，并提供了一組方法，用來友善的通路該塊記憶體。
注意：Buffer是非線程安全類。
1.1. Buffer類型的标記屬性
Buffer在内部也是利用byte[]作為記憶體緩沖區，隻不過多提供了一些标記變量屬性而已。當多線程通路的時候，可以清楚的知道目前資料的位置。
有三個重要的标記屬性：capacity、position、limit。
除此之外，還有一個标記屬性：mark，可以臨時保持一個特定的position，需要的時候，可以恢複到這個位置。
1.1.1. capacity
作為一個記憶體塊，Buffer有一個固定的大小值，也叫“capacity”。你隻能往裡寫capacity個資料。一旦Buffer滿了，就不能再寫入。
capacity與緩存的資料類型相關。指的不是記憶體的位元組的數量，而是寫入的對象的數量。比如使用的是一個儲存double類型的Buffer（DoubleBuffer），寫入的資料是double類型， 如果其 capacity 是100，那麼我們最多可以寫入100個 double 資料.
capacity一旦初始化，就不能不會改變。
原因是什麼呢？
Buffer對象在初始化時，會按照capacity配置設定内部的記憶體。記憶體配置設定好後，大小就不能變了。配置設定記憶體時，一般使用Buffer的抽象子類ByteBuffer.allocate()方法，實際上是生成ByteArrayBuffer類。
1.1.2. position
position表示目前的位置。position在Buffer的兩種模式下的值是不同的。
讀模式下的position的值為：
當讀取資料時，也是從position位置開始讀。當将Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置為0。當從Buffer的position處讀取資料時，position向前移動到下一個可讀的位置。
寫模式下的position的值為：
在寫模式下，當寫資料到Buffer中時，position表示目前的寫入位置。初始的position值為0，position最大可為capacity – 1。
每當一個資料（byte、long等）寫到Buffer後， position會向後移動到下一個可插入資料的可寫的位置。
1.1.3. limit
limit表示最大的限制。在Buffer的兩種模式下，limit的值是不同的。
讀模式下的limit的值為：
讀模式下，Buffer的limit表示最多能從Buffer裡讀多少資料。當Buffer從寫切換到讀模式時，limit的值，設定成寫模式的position 值，也是是寫模式下之前寫入的數量值。
舉一個簡單的例子，說明一下讀模式下的limit值：
先向Buffer寫資料，Buffer在寫模式。每寫入一個資料，position向後面移動一個位置，值加一。假定寫入了5個數，當寫入完成後，position的值為5。這時，就可以讀取資料了。當開始讀取資料時，Buffer切換到讀模式。limit的值，先會被設定成寫入資料時的position值。這裡是5，表示可以讀取的最大限制是5個數。
寫模式下的limit的值為：
limit表示表示可以寫入的資料最大限制。在切換成寫模式時，limit的值會被更改，設定成Buffer的capacity，為Buffer的容量。
1.1.4. 總結：
在Buffer的四個屬性之間，有一個簡單的數量關系，如下：
capacity>=limit>=position>=mark>=0
用一個表格，對着4個屬性的進行一下對比：
| 屬性 | 描述 |
| capacity | 容量，即可以容納的最大資料量；在緩沖區建立時被設定并且不能改變 |
| limit | 上界，緩沖區中目前資料量 |
| position | 位置，下一個要被讀或寫的元素的索引 |
| mark（位置标記） | 調用mark(pos)來設定mark=pos，再調用reset()可以讓position恢複到标記的位置即position=mark |
1.2. Buffer 類型
在NIO中主要有八種緩沖區類，分别如下:
ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
MappedByteBuffer
這些 Buffer 覆寫了能從 IO 中傳輸的所有的 Java 基本資料類型。其中MappedByteBuffer是專門用于記憶體映射的一種ByteBuffer)。
1.3. Buffer中的方法
本節結合Buffer的幾個方法，做了一個完整的執行個體，包含了從Buffer執行個體的擷取、寫入、讀取、重複讀、标記和重置等一個系列操作的完整流程。
1.3.1. 擷取allocate（）方法
為了擷取一個 Buffer 對象，我們首先需要配置設定記憶體空間。配置設定記憶體空間使用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);
這裡我們配置設定了20* sizeof(int)位元組的記憶體空間.
輸出的結果如下：
main |> 配置設定記憶體
allocatTest |> ------------after allocate------------------
allocatTest |> position=0
allocatTest |> limit=20
allocatTest |> capacity=20
通過結果，可以看到Buffer屬性的值。
1.3.2. 寫put()方法
調用allocate配置設定記憶體後，buffer處于寫模式。可以通過buffer的put方法寫入資料。put方法有一個要求，需要寫入的資料類型與Buffer的類型一緻。
接着前面的例子，繼續上寫入的執行個體代碼：
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());
} 寫入5個元素後，輸出的結果為：
main |> 寫入
putTest |> ------------after putTest------------------
putTest |> position=5
putTest |> limit=20
putTest |> capacity=20
調用了put方法後，buffer處于寫模式。寫入5個資料後，可以看到，position 變成了5，指向了第6個可以寫入的元素位置。
除了在建立的buffer之後，如何将buffer切換成寫模式呢？
調用 Buffer.clear() 清空或 Buffer.compact()壓縮方法，可以将 Buffer 轉換為寫模式。
1.3.3. 讀切換flip()方法
put方法寫入資料之後，可以直接從buffer中讀嗎？
呵呵，不能。
還需要調用filp（）走一個轉換的工作。flip()方法是Buffer的一個模式轉變的重要方法。簡單的說，是寫模式翻轉成讀模式——寫轉讀。
接着前面的例子，繼續上flip（）方法的例子代碼：
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());
} 接着上一步的寫入，在調用flip之後，buffer的屬性有一些奇妙的變化。
運作上面的程式，輸出如下：
main |> 翻轉
flipTest |> ------------after flipTest ------------------
flipTest |> position=0
flipTest |> limit=5
flipTest |> capacity=20
注意到沒有，position從前一個小節的5，變成了0。而limit的儲存了之前的position，從20變成5。
這是為什麼呢？ 先看其源碼，Buffer.flip()方法的源碼如下：
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = UNSET_MARK;
return this;
}
解釋一下啊，flip()方法主要是從讀模式切換成寫模式，調整的規則是：
（1）首先設定可讀的長度limit。将寫模式下的Buffer中内容的最後位置position值變為讀模式下的limit位置值，新的limit值作為讀越界位置；
（2）其次設定讀的起始位置。将當position值置為0，表示從0位置開始讀。轉換後重頭開始讀。
（3）如果之前有mark儲存的标記位置，還要消除。因為那是寫模式下的mark标記。
1.3.4. 讀get() 方法
get()讀資料很簡單，每次從postion的位置讀取一個資料，并且進行相應的buffer屬性的調整。
接着前面的例子，繼續上讀取buffer的例子代碼：
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());
} 先讀2個，再讀3個，輸出的Buffer屬性值如下：
main |> 讀取
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
讀完之後，緩存的position 值變成了一個沒有資料的元素位置，和limit的值相等，已經不能在讀了。
讀完之後，是否可以直接寫資料呢？
不能。一旦讀取了所有的 Buffer 資料，那麼我們必須清理 Buffer，讓其重新可寫，可以調用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()。
1.3.5. 倒帶rewind()方法
已經讀完的資料，需要再讀一遍，可以直接使用get方法嗎？
答案是，不能。怎麼辦呢？
使用rewind() 方法，可以進重複讀的設定。rewind()也叫倒帶，就像播放錄音帶一樣，倒回去，重新播放。
接着前面的例子，繼續上重複讀的例子代碼：
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());
} 執行個體的結果如下：
main |> 重複讀
rewindTest |> ------------after flipTest ------------------
rewindTest |> position=0
rewindTest |> limit=5
rewindTest |> capacity=20
flip()方法主要是調整Buffer的 position 屬性，調整的規則是：
（1）position設回0，是以你可以重讀Buffer中的所有資料；
（2）limit保持不變，資料量還是一樣的，仍然表示能從Buffer中讀取多少個元素。
Buffer.rewind()方法的源碼如下：
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
看到了實作的源碼應該就會清楚flip()的作用了。rewind()方法與flip()很相似，差別在于rewind()不會影響limit，而flip()會重設limit屬性值。
1.3.6. mark( )和reset( )
Buffer.mark()方法将目前的 position 的值儲存起來，放在mark屬性中，讓mark屬性記住目前位置，之後可以調用Buffer.reset()方法将 position 的值恢複回來。
Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是一一配套使用的。都是需要操作mark屬性。
在重複讀的執行個體代碼中，讀到第3個元素，使用mark（）方法，設定一下mark 屬性，儲存為第3個元素的位置。
下面上執行個體，示範一下mark和reset的結合使用。
執行個體繼續接着上面的rewind倒帶後的buffer 狀态，開始reRead重複讀，執行個體代碼如下：
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());
} 然後接着上一段reset（）執行個體代碼，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());
} 上面我們調用 mark() 方法将目前的 position 儲存起來(在讀模式，是以儲存的是讀的 position)。接着使用 reset() 恢複原來的讀 position，是以讀 position 就為3，可以再次開始從第2個元素讀取資料.
輸出的結果是：
afterReset |> ------------after reset------------------
afterReset |> position=3
afterReset |> limit=5
afterReset |> capacity=20
調用reset之後，position的值為3，表示可以從第三個元素開始讀。
Buffer.mark()和Buffer.reset()其實很簡答，其源碼如下：
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（）方法的作用有兩種：
（1）寫模式下，當一個 buffer 已經寫滿資料時，調用 clear（）方法，切換成讀模式，可以從頭讀取 buffer 的資料；
（2）讀模式下，調用 clear（）方法，将buffer切換為寫模式，将postion為清零，limit設定為capacity最大容量值，可以一直寫入，直到buffer寫滿。
接着上面的執行個體，使用執行個體代碼，示範一下clear方法。
代碼如下：
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());
} 運作之後，結果如下：
main |> 清空
clearDemo |> ------------after clear------------------
clearDemo |> position=0
clearDemo |> limit=20
clearDemo |> capacity=20
在clear（）之前，buffer是在讀模式下。clear（）之後，可以看到，清空了position 的值，設定為起始位置。
clear 方法源碼:
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
根據源碼我們可以知道，clear 将 positin 設定為0，将 limit 設定為 capacity。
1.4. Buffer 的使用
1.4.1. 使用的基本步驟
總結一下，使用 NIO Buffer 的步驟如下:
一：将資料寫入到 Buffer 中；
二：調用 Buffer.flip()方法，将 NIO Buffer 轉換為讀模式；
三：從 Buffer 中讀取資料；
四：調用 Buffer.clear() 或 Buffer.compact()方法，将 Buffer 轉換為寫模式。
當我們将資料寫入到 Buffer 中時，Buffer 會記錄我們已經寫了多少的資料；當我們需要從 Buffer 中讀取資料時，必須調用 Buffer.flip()将 Buffer 切換為讀模式。
1.4.2. 完整的執行個體代碼
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("配置設定記憶體");
allocatTest();
Logger.info("寫入");
putTest();
Logger.info("翻轉");
flipTest();
Logger.info("讀取");
getTest();
Logger.info("重複讀");
rewindTest();
reRead();
Logger.info("make&reset寫讀");
afterReset();
Logger.info("清空");
clearDemo();
}
}
源碼：
代碼工程: JavaNioDemo.zip
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