Buffer

前言

上一篇文章中Java NIO概括性的介绍了Java Nio以及各个核心组件。这篇继续Java Nio的话题，着重了解下Nio中Buffer的原理、Buffer的行为、Buffer种类。

• Buffer原理
• Buffer行为
• Buffer分类

Buffer原理

上篇中简书了Buffer是数据容器，可以重复读写。那么Buffer是如何存储数据的呢？Buffer的读写操作是如何标记读写的位置呢？带着这些问题，我们一起先来看下Buffer的存储，以及属性标记。

线性数组是一门最基础的数据结构，对很多数据结构提供的基本的存储支持。Buffer中使用了线性数组作为其存储实现，即一块连续的存储空间。
Buffer中有四个非常重要的属性位：

• capacity： 表示Buffer的容量；
• limit： Buffer的读写限制，表示最大能读写到limit的位置；
• position： 记录下一个读写的位置；
• mark：：记录打标记的位置；

还是一如既往，先直观地图解Buffer

如上图，是一个容量为n的Buffer的初始化状态。创建Buffer时：

1. 首先分配容量为n的数组，capacity为n，此时limit设置为n，表示最大的可写限制为n；
2. position初始为0，表示即将写入的位置是槽位0
3. mark初始化为-1，初始化的Buffer无标记位

Buffer中有几个非常重要的操作会导致Buffer的属性位发生变化

• flip: 翻转Buffer
• clear：清理Buffer
• mark：标记Buffer

属性位的变化表示Buffer的状态切换，每种状态的Buffer都对应Buffer可操作的相应行为

上图展示了Buffer随着flip、clear、mark操作的属性变更和状态转移：初始化状态 -> 一次put后 -> flip后 -> 一个get后。

两次put后，position移动两位，即position=2，表示下一个写入的位置，limit等于capacity表示Buffer最大支持的写入限制。
flip翻转主要是在Buffer的读写之间进行切换，flip后，将limit设置为position的大小，position归零，从0位开始读，读到limit为止。
一次get后，则将position移动一位，表示下一个即将读的位置。

从上可以看出，相应的操作导致属性位变化，Buffer的可读可写状态之间切换。Buffer基于此实现读写操作。

Buffer的mark用来给Buffer当前的postion位置打标记，即mark记录当前postion位置，当Buffer发生reset重置时，将postion设置为之前的mark位置，主要用来实现重复读写，持续读写。（复位代表着可持续操作！！）

Buffer行为

上一节中详细说明了Buffer的存储，读写原理。这一节中继续了解Buffer的常用行为。这里以字节缓冲区ByteBuffer（存储字节数据）的作为例子进行说明。
ByteBuffer的常用行为无非创建、读写，但是ByteBuffer对于读写需要遵循上述的flip，clear等操作。

1）ByteBuffer创建主要通过静态allocate方法实现（工厂模式）

ByteBuffer buffer = ByteBffer.allocate(16);

这里创建大小为16个字节容量的Buffer。

2）读操作主要通过get和get的变体方法实现，字节get方法主要有四种形式：

• get()：获取当前position槽位的值
• get(byte[] b)：从当前position获取内容至数组b中，直到填满数组。如果buffer数据不足，会抛出BufferUnderflowException
• get(byte b[], int offset, int length) 从当前position获取内容至数组b中，从数组的偏移offset位开始填充，共获取length个
• get(int index) 获取指定槽位的byte，position不发生偏移

3）写操作：主要通过put和put的变体方法实现，字节put方法主要有五种形式：

• put(byte b)：向当前position槽位写入一个字节
• put(byte[] bs)：从当前position槽位开始写入字节数组，如果buffer容量不足，则抛出：BufferUnderflowException
• put(byte[] bs, int offset, int length) 从当前position槽位写入字节数组，从数组的offset偏移位置取，共写入length个
• put(int index, byte b) 向指定index槽位写入数据
• put(ByteBuffer buffer) 转换参数ByteBuffer

ByteBuffer除了基本的字节读写操作，还提供了更便利的get变体操作，完成以不同数据类型读写ByteBuffer，如：

• getChar 以字符形式读取ByteBuffer
• getInt 以int形式读取ByteBuffer
• putChar 以字符形式写入Buffer
• putInt 以int形式写入Buffer

除了以上的变体操作，还有很多其他的数据类型的get/put变体操作，可以查看ByteBuffer详细的api。

ByteBuffer除了基本的读写操作，还有几个继承自Buffer父类的行为，Buffer的行为在其派生出的子类中都具有：

• isDirect：是否为直接Buffer（后续文章中会说明直接的含义）
• isReadOnly：是否为只读
• hasRemaining：是否存在剩余容量
• remaining：剩余容量大小

Buffer分类

在以ByteBuffer为例介绍完，Buffer的常用行为后，下面在简单的了解下Nio中提供的Buffer类型，以及与ByteBuffer的区别。

Nio中的Buffer可以从多维角度进行划分：1.数据类型；2.堆Buffer和直接内存Buffer；3.抽想Buffer和其对应的具体实现

1） 数据类型
按照存储的数据类型，可以将Buffer划分为：

• ByteBuffer： 存储字节
• ShortBuffer：存储短整型
• IntBuffer：存储整形
• LongBuffer：存储长整型
• CharBuffer：存储字符类型
• FloatBuffer：存储浮点类型
• DoubleBuffer：存储双精度

ByteBuffer提供get/put的变体，以方便的api实现其他数据类型的读写，其他类型的Buffer均只有基本数据类型的get/put读写。

2） 堆/直接内存
按照数据的存储位置，可以将Buffer分为堆Buffer和直接内存Buffer。

• 堆Buffer：Buffer内存分配在Java内存的堆区域，Heap Buffer实现:
  HeapByteBuffer/HeapCharBuffer等

• 直接内存Buffer：Buffer使用堆外的直接内存，如：Direct Buffer实现：
  DirectByteBuffer/DirectCharBuffer

3） 抽象Buffer和其对应实现
Nio中Buffer的设计模式非常强，工厂模式、。。。我回头再温故下设计模式，嘿嘿。
Nio中利用面向对象的多态性，使用多重继承将Buffer模块设计的鬼斧神工。

对每种数据类型的Buffer都定义其抽象的数据类型Buffer，如：
ByteBuffer/ShortBuffer/IntBuffer等抽象类，然后针对堆Buffer和直接内存Buffer两种形态又设计各自的实现：HeapByteBuffer/DirectByteBuffer、HeapShortBuffer/DirectShortBuffer、HeapIntBuffer/DirectIntBuffer。

总结

至此，Buffer的类容介绍完毕。这里只是浅谈了Buffer的原理、行为和分类，并没有对源码进行解读，感兴趣的朋友可以自行阅读。

这里再做下简单的总结，各种类型的Buffer主要是利用线性数组存储各种类型的数据，维护多个属性位，伴随将属性位变化达到读写状态的变化。读写操作的多态形式使得Buffer的api机器丰富，可用性极强。Buffer的种类可谓纷繁，每种Buffer都有其各自的应用场景，解决不同的需求。

参考

java NIO详解
NIO学习–缓冲区
Java 语言中一个字符占几个字节