NIO 之 ByteBuffer实现原理

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前言

Java NIO 主要由下面3部分组成：

• Buffer
• Channel
• Selector

在传统IO中，流是基于字节的方式进行读写的。
在NIO中，使用通道（Channel）基于缓冲区数据块的读写。

流是基于字节一个一个的读取和写入。
通道是基于块的方式进行读取和写入。

Buffer 类结构图

Buffer 的类结构图如下：

Buffer类结构图

从图中发现java中8中基本的类型，除了boolean外，其它的都有特定的Buffer子类。

Buffer类分析

Filed

每个缓冲区都有这4个属性，无论缓冲区是何种类型都有相同的方法来设置这些值

private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;

1. 标记（mark）

初始值-1，表示未标记。
标记一个位置，方便以后reset重新从该位置读取数据。

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;
}

2. 位置（position）

缓冲区中读取或写入的下一个位置。这个位置从0开始，最大值等于缓冲区的大小

//获取缓冲区的位置
public final int position() {
    return position;
}
//设置缓冲区的位置
public final Buffer position(int newPosition) {
    if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
        throw new IllegalArgumentException();
    position = newPosition;
    if (mark > position) mark = -1;
    return this;
}

3. 限度（limit）

//获取limit位置
public final int limit() {
    return limit;
}
//设置limit位置
public final Buffer limit(int newLimit) {
    if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
        throw new IllegalArgumentException();
    limit = newLimit;
    if (position > limit) position = limit;
    if (mark > limit) mark = -1;
    return this;
 }

4. 容量（capacity）

缓冲区可以保存元素的最大数量。该值在创建缓存区时指定，一旦创建完成后就不能修改该值。

//获取缓冲区的容量
public final int capacity() {
    return capacity;
}

filp 方法

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

1. 将limit设置成当前position的坐标
2. 将position设置为0
3. 取消标记

rewind 方法

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

从源码中发现，rewind修改了position和mark,而没有修改limit。

1. 将position设置为0
2. 取消mark标记

clear 方法

    public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }

1. 将position坐标设置为0
2. limit设置为capacity
3. 取消标记

从clear方法中，我们发现Buffer中的数据没有清空，如果通过Buffer.get(i)的方式还是可以访问到数据的。如果再次向缓冲区中写入数据，他会覆盖之前存在的数据。

remaining 方法

查看当前位置和limit之间的元素数。

public final int remaining() {
    return limit - position;
}

hasRemaining 方法

判断当前位置和limit之间是否还有元素

public final boolean hasRemaining() {
    return position < limit;
}

ByteBuffer 类分析

ByteBuffer类结果图

从图中我们可以发现 ByteBuffer继承于Buffer类，ByteBuffer是个抽象类，它有两个实现的子类HeapByteBuffer和MappedByteBuffer类

HeapByteBuffer：在堆中创建的缓冲区。就是在jvm中创建的缓冲区。
MappedByteBuffer：直接缓冲区。物理内存中创建缓冲区，而不在堆中创建。

allocate 方法（创建堆缓冲区）

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

我们发现allocate方法创建的缓冲区是创建的HeapByteBuffer实例。

HeapByteBuffer 构造

HeapByteBuffer(int cap, int lim) {            // package-private
    super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}

从堆缓冲区中看出，所谓堆缓冲区就是在堆内存中创建一个byte[]数组。

allocateDirect创建直接缓冲区

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

我们发现allocate方法创建的缓冲区是创建的DirectByteBuffer实例。

DirectByteBuffer构造

DirectByteBuffer 构造方法

直接缓冲区是通过java中Unsafe类进行在物理内存中创建缓冲区。

wrap 方法

public static ByteBuffer wrap(byte[] array)
public static ByteBuffer wrap(byte[] array, int offset, int length);

可以通过wrap类把字节数组包装成缓冲区ByteBuffer实例。
这里需要注意的的，把array的引用赋值给ByteBuffer对象中字节数组。如果array数组中的值更改，则ByteBuffer中的数据也会更改的。

get 方法

1. public byte get()
   获取position坐标元素，并将position+1；
2. public byte get(int i)
   获取指定索引下标的元素
3. public ByteBuffer get(byte[] dst)
   从当前position中读取元素填充到dst数组中，每填充一个元素position+1;
4. public ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length)
   从当前position中读取元素到dst数组的offset下标开始填充length个元素。

put 方法

1. public ByteBuffer put(byte x)
   写入一个元素并position+1
2. public ByteBuffer put(int i, byte x)
   指定的索引写入一个元素
3. public final ByteBuffer put(byte[] src)
   写入一个自己数组，并position+数组长度
4. public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length)
   从一个自己数组的offset开始length个元素写入到ByteBuffer中，并把position+length
5. public ByteBuffer put(ByteBuffer src)
   写入一个ByteBuffer，并position加入写入的元素个数

视图缓冲区

Paste_Image.png

ByteBuffer可以转换成其它类型的Buffer。例如CharBuffer、IntBuffer 等。

压缩缓冲区

public ByteBuffer compact() {
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
        position(remaining());
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;
    }

1、把缓冲区positoin到limit中的元素向前移动positoin位
2、设置position为remaining()
3、 limit为缓冲区容量
4、取消标记

例如：ByteBuffer.allowcate(10);
内容：[0 ,1 ,2 ,3 4, 5, 6, 7, 8, 9]

compact前

[0 ,1 ,2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
pos=4
lim=10
cap=10

compact后

[4, 5, 6, 7, 8, 9, 6, 7, 8, 9]
pos=6
lim=10
cap=10

slice方法

public ByteBuffer slice() {
        return new HeapByteBuffer(hb,
                    -1,
                    0,
                    this.remaining(),
                    this.remaining(),
                    this.position() + offset);
}

创建一个分片缓冲区。分配缓冲区与主缓冲区共享数据。
分配的起始位置是主缓冲区的position位置
容量为limit-position。
分片缓冲区无法看到主缓冲区positoin之前的元素。

直接缓冲区和堆缓冲区性能对比

下面我们从缓冲区创建的性能和读取性能两个方面进行性能对比。

读写性能对比

public static void directReadWrite() throws Exception {
    int time = 10000000;
    long start = System.currentTimeMillis();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4*time);
    for(int i=0;i<time;i++){
        buffer.putInt(i);
    }
    buffer.flip();
    for(int i=0;i<time;i++){
        buffer.getInt();
    }
    System.out.println("堆缓冲区读写耗时  ："+(System.currentTimeMillis()-start));
    
    start = System.currentTimeMillis();
    ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocateDirect(4*time);
    for(int i=0;i<time;i++){
        buffer2.putInt(i);
    }
    buffer2.flip();
    for(int i=0;i<time;i++){
        buffer2.getInt();
    }
    System.out.println("直接缓冲区读写耗时："+(System.currentTimeMillis()-start));
}

输出结果：

堆缓冲区创建耗时  ：70
直接缓冲区创建耗时：47

从结果中我们发现堆缓冲区读写比直接缓冲区读写耗时更长。

public static void directAllocate() throws Exception {
    int time = 10000000;
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
    }
    System.out.println("堆缓冲区创建时间："+(System.currentTimeMillis()-start));
        
    start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4);
    }
    System.out.println("直接缓冲区创建时间："+(System.currentTimeMillis()-start));
}

输出结果：

堆缓冲区创建时间：73
直接缓冲区创建时间：5146

从结果中发现直接缓冲区创建分配空间比较耗时。

对比结论

直接缓冲区比较适合读写操作，最好能重复使用直接缓冲区并多次读写的操作。
堆缓冲区比较适合创建新的缓冲区，并且重复读写不会太多的应用。

建议：如果经过性能测试，发现直接缓冲区确实比堆缓冲区效率高才使用直接缓冲区，否则不建议使用直接缓冲区。

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