初探Java的Buffer类

港控/mmm° 2022-02-15 19:29 178阅读 0赞

**传统阻塞型I/O的问题**  
用过Java的Socket编程的人一定都知道传统的网络I/O编程是ServerSocket的accept方法一直等待着TCP请求的接入，每当收到一个TCP请求后，ServerSocket就会创建出一组I/O流，把它们交给一个线程去处理，这种情况下的结构关系就是每条线程处理一个I/O，就像下面这张图一样  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这种设计有几个问题：  
1.假设访问的高峰期并发量较大，我们必须为程序配置一个较大的线程池，可是当过了高峰期，并发量减少了，那些空闲的线程岂不是一种资源的浪费？  
2.当I/O流打开以后如果数据传输并不频繁，那么这个线程很大一部分时间都是在等待中度过的，这又是一种资源的利用率低下。

那么怎么让更少的线程能够处理更多的事情呢？于是就引出了我们要讲的nio。  
nio就是非阻塞型I/O（non-blocking I/O），它有三个核心的概念：Selector，Channel，Buffer。  
它们的关系就像下图一样  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
Buffer(缓冲区)的底层其实就是一个数组，它提供了一些方法来向数组中写入和读出数据。  
Channel（通道）是一个可以向Buffer中写入和读取数据的对象，但是其本身不能直接读取数据。  
这个博客主要是探索Buffer类的一些底层实现，channel类以后再去看。

**Buffer的几个常用方法：**

*  allocate() - 初始化一块缓冲区
 *  put() - 向缓冲区写入数据
 *  get() - 向缓冲区读数据
 *  filp() - 将缓冲区的读写模式转换
 *  clear() - 这个并不是把缓冲区里的数据清除，而是利用后来写入的数据来覆盖原来写入的数据，以达到类似清除了老的数据的效果
 *  compact() - 从读数据切换到写模式，数据不会被清空，会将所有未读的数据copy到缓冲区头部，后续写数据不会覆盖，而是在这些数据之后写数据
 *  mark() - 对position做出标记，配合reset使用
 *  reset() - 将position置为标记值

**Buffer的几个核心属性：**

*  **capacity** \- 缓冲区大小，缓冲区一旦创建出来以后，这个属性就不会再变化了
 *  **position** \- 读写数据的定位指针，用来标识当前读取到了哪一个位置。
 *  **limit** \- 读写的边界，用于限制指针的最大指向位置。当指针走到边界上的时候就要停住，否则就会抛出BufferUnderflowException

**Buffer的基本用法**  
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()方法改变读写模式
3.  从Buffer中读取数据
4.  调用clear()方法或者compact()方法  
    下面用代码来展示下

public static void main(String[] args) { 
            //生成一个长度为10的缓冲区
            IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(10);
            for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); ++i){ 
                int randomNum = new SecureRandom().nextInt(20);
                intBuffer.put(randomNum);
            }
            //状态翻转
            intBuffer.flip();
            while (intBuffer.hasRemaining()){ 
                //读取数据
                System.out.print(intBuffer.get() + ",");
            }
            //clear方法本质上并不是删除数据
            intBuffer.clear();
            System.out.print("\n");
            System.out.println("-----------------------------");
            while (intBuffer.hasRemaining()){ 
                System.out.print(intBuffer.get() + ",");
            }
        }

控制台输出如下  
![在这里插入图片描述][20190424223108843.png]  
可以看到，调用了clear方法以后，缓冲区里的数据并没有被清除。这是什么原因呢，先不急，先改写一下上面的代码。

public static void main(String[] args) { 
            IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(10);
            System.out.println("初始的Buffer：" + intBuffer);
            for (int i = 0; i < 5; ++i){ 
                int randomNum = new SecureRandom().nextInt(20);
                intBuffer.put(randomNum);
            }
    
            System.out.println("flip之前：limit = "+ intBuffer);
            intBuffer.flip();
            System.out.println("flip之后：limit = "+ intBuffer);
    
            System.out.println("进入读取");
            while (intBuffer.hasRemaining()){ 
                System.out.println(intBuffer);
                System.out.println(intBuffer.get());
            }
        }

控制台输出结果如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
输出结果中的pos代表的就是`position`属性，lim代表`limit`属性，cap代表`capacity`属性。  
在缓冲区刚初始化出来的时候，position指向的是数组的第一个位置，limit和数组的容量一样。  
用图片来表示大概就如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
向缓冲区中每写入一个数据，指针就会后移一位  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
当调用了flip()方法后，position又会重新指向数组的第一个位置，而limit会指向原来的position的位置。  
![在这里插入图片描述][20190424232211141.png]  
从源码上来看，就是把position赋值给limit，再把position变回0。  
如果用图示的话就如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
然后再调用get方法的时候，每调用读取一个数据，position就会向后移动一位,直到position到达了limit的位置。实际上intBuffer.hasRemaining()方法就是判断position < limit。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220215/17ffdea200754391af2306252fa3a6dd.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220215/71a35fb269754b59a2d1ed5bd4104dcc.png
[20190424223108843.png]: /images/20220215/0ea715e3886e4f6a8b2a90cd290ed2b9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220215/450bd6d218f54874ae367774feadfa9a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220215/dcdf88deaef4462aa276d846d837b916.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220215/4f5abaa22fac4a76870506676fc492ee.png
[20190424232211141.png]: /images/20220215/da04f1e6e5ec43a9b9e4208cfd829235.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220215/9395bd7ac1e84f0a8b2ab3558336d330.png