BufferedInputStream详解

BufferedInputStream是一个带有缓冲区域的InputStream,它的继承体系如下： 

InputStream 
|__FilterInputStream 
        |__BufferedInputStream 

首先了解一下FilterInputStream： 
FilterInputStream通过装饰器模式将InputStream封装至内部的一个成员变量： 

protected volatile InputStream in;

需要注意的是该成员变量使用了volatile关键字进行修饰，这意味着该成员变量的引用的内存可见性为多线程即时可见的。 
其它地方FilterInputStream将所有的操作委托给了in这个成员进行操作。 

了解了这些过后，来仔细看看BufferedInputStream的成员变量： 

private static int defaultBufferSize = 8192 //该变量定义了默认的缓冲大小

protected volatile byte buf[]; //缓冲数组，注意该成员变量同样使用了volatile关键字进行修饰，作用为在多线程环境中，当对该变量引用进行修改时保证了内存的可见性。

private static final AtomicReferenceFieldUpdater<BufferedInputStream, byte[]> bufUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(BufferedInputStream.class,  byte[].class, "buf")//缓存数组的原子更新器，该成员变量与buf数组的volatile关键字共同组成了buf数组的原子更新功能实现。

protected int count;//该成员变量表示目前缓冲区域中有多少有效的字节。

protected int pos;//该成员变量表示了当前缓冲区的读取位置。

protected int markpos = -1;/*表示标记位置，该标记位置的作用为：实现流的标记特性，即流的某个位置可以被设置为标记，允许通过设置reset()，将流的读取位置进行重置到该标记位置，但是InputStream注释上明确表示，该流不会无限的保证标记长度可以无限延长，即markpos=15,pos=139734，该保留区间可能已经超过了保留的极限（如下）*/

protected int marklimit;/*该成员变量表示了上面提到的标记最大保留区间大小，当pos-markpos> marklimit时，mark标记可能会被清除（根据实现确定）。*/

通过构造函数可以看到：初始化了一个byte数组作为缓冲区域 

public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
    super(in);
        if (size <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
        }
    buf = new byte[size];
}

这个类中最为重要的方法是fill()方法，它提供了缓冲区域的读取、写入、区域元素的移动更新等。下面着重分析一下该方法： 

private void fill() throws IOException {
        byte[] buffer = getBufIfOpen();
    if (markpos < 0) ｛
          /*如果不存在标记位置（即没有需要进行reset的位置需求）
            则可以进行大胆地直接重置pos标识下一可读取位置,但是这样
            不是会读取到以前的旧数据吗？不用担心，在后面的代码里☆会实现输入流的新
            数据填充*/
        pos = 0;
    ｝else if (pos >= buffer.length)｛
       /* 位置大于缓冲区长度，这里表示已经没有可用空间了 */
        if (markpos > 0) {
             /* 表示存在mark位置，则要对mark位置到pos位置的数据予以保留，
                以确保后面如果调用reset()重新从mark位置读取会取得成功*/
        int sz = pos - markpos;
                /*该实现是通过将缓冲区域中markpos至pos部分的移至缓冲区头部实现*/
        System.arraycopy(buffer, markpos, buffer, 0, sz);
        pos = sz;
        markpos = 0;
        } else if (buffer.length >= marklimit) {
                /* 如果缓冲区已经足够大，可以容纳marklimit，则直接重置*/
                markpos = -1;
        pos = 0;/* 丢弃所有的缓冲区内容 */
        } else {
                /* 如果缓冲区还能增长的空间，则进行缓冲区扩容*/
        int nsz = pos * 2;
                /*新的缓冲区大小设置成满足最大标记极限即可*/
        if (nsz > marklimit)
            nsz = marklimit;
        byte nbuf[] = new byte[nsz];
                //将原来的较小的缓冲内容COPY至增容的新缓冲区中
        System.arraycopy(buffer, 0, nbuf, 0, pos);
                //这里使用了原子变量引用更新，确保多线程环境下内存的可见性
                if (!bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, nbuf)) {
                    // Can't replace buf if there was an async close.
                    // Note: This would need to be changed if fill()
                    // is ever made accessible to multiple threads.
                    // But for now, the only way CAS can fail is via close.
                    // assert buf == null;
                    throw new IOException("Stream closed");
                }
                buffer = nbuf;
        }
        count = pos;
        //从原始输入流中读取数据，填充缓冲区
    int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);
        //根据实际读取的字节数更新缓冲区中可用字节数
        if (n > 0)
            count = n + pos;
    }

整个fill的过程，可以看作是BufferedInputStream对外提供滑动读取的功能实现，通过预先读入一整段原始输入流数据至缓冲区中，而外界对BufferedInputStream的读取操作实际上是在缓冲区上进行，如果读取的数据超过了缓冲区的范围，那么BufferedInputStream负责重新从原始输入流中载入下一截数据填充缓冲区，然后外界继续通过缓冲区进行数据读取。这样的设计的好处是：避免了大量的磁盘IO，因为原始的InputStream类实现的read是即时读取的，即每一次读取都会是一次磁盘IO操作（哪怕只读取了1个字节的数据），可想而知，如果数据量巨大，这样的磁盘消耗非常可怕。而通过缓冲区的实现，读取可以读取缓冲区中的内容，当读取超过缓冲区的内容后再进行一次磁盘IO，载入一段数据填充缓冲，那么下一次读取一般情况下就直接可以从缓冲区读取，减少了磁盘IO。减少的磁盘IO大致可以通过以下方式计算（限read()方式）： 

length  流的最终大小 
bufSize 缓冲区大小 

则通过缓冲区实现的输入流BufferedInputStream的磁盘IO数为原始InputStream磁盘IO的 
1/(length/bufSize) 

read方法解析：该方法返回当前位置的后一位置byte值（int表示）. 

public synchronized int read() throws IOException {
    if (pos >= count) {
           /*表示读取位置已经超过了缓冲区可用范围，则对缓冲区进行重新填充*/
        fill();
           /*当填充后再次读取时发现没有数据可读，证明读到了流末尾*/
        if (pos >= count)
        return -1;
    }
        /*这里表示读取位置尚未超过缓冲区有效范围，直接返回缓冲区内容*/
    return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
}

一次读取多个字节（尽量读，非贪婪) 

private int read1(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
    int avail = count - pos;
    if (avail <= 0) {
        /*这里使用了一个巧妙的机制，如果读取的长度大于缓冲区的长度
              并且没有markpos，则直接从原始输入流中进行读取，从而避免无谓的
              COPY（从原始输入流至缓冲区，读取缓冲区全部数据，清空缓冲区，
              重新填入原始输入流数据）*/
        if (len >= getBufIfOpen().length && markpos < 0) {
        return getInIfOpen().read(b, off, len);
        }
            /*当无数据可读时，从原始流中载入数据到缓冲区中*/
        fill();
        avail = count - pos;
        if (avail <= 0) return -1;
    }
    int cnt = (avail < len) ? avail : len;
        /*从缓冲区中读取数据，返回实际读取到的大小*/
    System.arraycopy(getBufIfOpen(), pos, b, off, cnt);
    pos += cnt;
    return cnt;
    }

以下方法和上面的方法类似，唯一不同的是，上面的方法是尽量读，读到多少是多少，而下面的方法是贪婪的读，没有读到足够多的数据（len）就不会返回，除非读到了流的末尾。该方法通过不断循环地调用上面read1方法实现贪婪读取。 

public synchronized int read(byte b[], int off, int len)
    throws IOException
    {
        getBufIfOpen(); // Check for closed stream
        if ((off | len | (off + len) | (b.length - (off + len))) < 0) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
            return 0;
        }

    int n = 0;
        for (;;) {
            int nread = read1(b, off + n, len - n);
            if (nread <= 0)
                return (n == 0) ? nread : n;
            n += nread;
            if (n >= len)
                return n;
            // if not closed but no bytes available, return
            InputStream input = in;
            if (input != null && input.available() <= 0)
                return n;
        }
    }

略过多少字节 

public synchronized long skip(long n) throws IOException {
        getBufIfOpen(); // Check for closed stream
    if (n <= 0) {
        return 0;
    }
    long avail = count - pos;

        if (avail <= 0) {
            // If no mark position set then don't keep in buffer
            //从上面的注释可以知道，这也是一个巧妙的方法，如果没有mark标记，
            // 则直接从原始输入流中skip
            if (markpos <0)
                return getInIfOpen().skip(n);

            // Fill in buffer to save bytes for reset
            fill();
            avail = count - pos;
            if (avail <= 0)
                return 0;
        }
        //该方法的实现为尽量原则，不保证一定略过规定的字节数。
        long skipped = (avail < n) ? avail : n;
        pos += skipped;
        return skipped;
    }

估计目前可用的字节数，原始流中可用的字节数+缓冲区中可用的字节数 

public synchronized int available() throws IOException {
    return getInIfOpen().available() + (count - pos);
    }

标记位置： 

public synchronized void mark(int readlimit) {
    marklimit = readlimit;
    markpos = pos;
    }

重置位置：该实现清晰的表明下一读取位置被推到了以前的标记位置，以实现重新读取区段的功能 

public synchronized void reset() throws IOException {
        getBufIfOpen(); // Cause exception if closed
    if (markpos < 0)
        throw new IOException("Resetting to invalid mark");
    pos = markpos;
    }

关闭流：首先通过线程安全的方式设置了内部的缓冲区引用为空，然后再对原始输入流进行关闭。 

public void close() throws IOException {
        byte[] buffer;
        while ( (buffer = buf) != null) {
            if (bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, null)) {
                InputStream input = in;
                in = null;
                if (input != null)
                    input.close();
                return;
            }
            // Else retry in case a new buf was CASed in fill()
        }
    }