NIO之直接缓冲区与非直接缓冲区

直接缓冲区与非直接缓冲区的概念

一、非直接缓冲区

1）创建方式

通过

static ByteBuffer allocate(int capacity)

创建的缓冲区，在JVM中内存中创建，在每次调用基础操作系统的一个本机IO之前或者之后，虚拟机都会将缓冲区的内容复制到中间缓冲区（或者从中间缓冲区复制内容），缓冲区的内容驻留在JVM内，因此销毁容易，但是占用JVM内存开销，处理过程中有复制操作。

2）写入步骤

1.创建一个临时的直接ByteBuffer对象。
2.将非直接缓冲区的内容复制到临时缓冲中。
3.使用临时缓冲区执行低层次I/O操作。
4.临时缓冲区对象离开作用域，并最终成为被回收的无用数据。

二、直接缓冲区

1）创建方式

通过

static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)

创建的缓冲区，在JVM内存外开辟内存，在每次调用基础操作系统的一个本机IO之前或者之后，虚拟机都会避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区（或者从中间缓冲区复制内容），缓冲区的内容驻留在物理内存内，会少一次复制过程，如果需要循环使用缓冲区，用直接缓冲区可以很大地提高性能。虽然直接缓冲区使JVM可以进行高效的I/O操作，但它使用的内存是操作系统分配的，绕过了JVM堆栈，建立和销毁比堆栈上的缓冲区要更大的开销。

直接缓冲区与非直接缓冲区的区别

1. 字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则 Java 虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机 I/O 操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机 I/O 操作之前（或之后），虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中（或从中间缓冲区中复制内容）。
2. 直接字节缓冲区可以通过调用此类的 allocateDirect() 工厂方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以，建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的本机 I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好处时分配它们。
3. 直接字节缓冲区还可以通过 FileChannel 的 map() 方法 将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回MappedByteBuffer 。 Java 平台的实现有助于通过 JNI 从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。
4. 字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。提供此方法是为了能够在性能关键型代码中执行显式缓冲区管理。

直接缓冲区与非直接缓冲区区别图形示意

物理磁盘->内核地址空间->用户地址空间->应用程序

OS                              ->                           JVM

直接缓冲区:内核地址空间和用户地址空间之间形成了一个物理内存映射文件，减少了之间的copy过程。

这边可以看下jvm结构里的直接内存：JVM虚拟机（一）：java虚拟机的基本结构

代码示例

package com.expgiga.NIO;

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 一、缓冲区(Buffer)：在Java NIO中负责数据的存取，缓冲区就是数组，用于存储不同数据类型的数据。
 * 根据数据类型不同(boolean除外)，提供了相应类型的缓冲区
 *
 * ByteBuffer
 * CharBuffer
 * ShortBuffer
 * IntBuffer
 * LongBuffer
 * FloatBuffer
 * DoubleBuffer
 *
 * 这些缓冲区的管理方式几乎一致，通过allocate()获取缓冲区。
 *
 * 二、缓冲区存取数据的两个核心的方法：
 * put() 存入数据到缓冲区
 * get() 获取缓冲区的数据
 *
 * 三、缓冲区中的四个核心属性：
 * capacity:容量，表示缓冲区中最大的存储数据的容量，一旦声明不能改变
 * limit:界限，表示缓冲区中可以操作数据的大小。(limit后数据不能进行读写)
 * position：位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置。
 *      0 <= mark <=   position <= limit <= capacity
 * mark:标记，表示记录当前position的位置，通过reset()恢复到mark的位置
 *
 * 四、直接缓冲区和非直接缓冲区
 * 非直接缓冲区：通过allocate()分配缓冲区，将缓冲区建立在JVM的内存中
 * 直接缓冲区：通过allocateDirect()分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中，可以提高效率。
 */
public class TestBuffer {

    public static void main(String[] args) {

        String str = "abcde";

        //1.分配一个指定大小的缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

        System.out.println("-----------allocate()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());//0 1024 1024

        //2.利用put()存入数据到缓冲区
        buf.put(str.getBytes());
        System.out.println("-----------put()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity()); //5 1024 1024

        //3.利用flip()切换成读数据模式
        buf.flip();
        System.out.println("-----------flip()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity()); //0 5 1024

        //4.利用get()读取缓冲区中的数据
        byte[] dst = new byte[buf.limit()];
        buf.get(dst);
        System.out.println(new String(dst, 0, dst.length));
        System.out.println("-----------get()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity()); //5 5 1024

        //5.rewind()可重复读数据
        buf.rewind();
        System.out.println("-----------rewind()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity()); //0 5 1024

        //6.清空缓冲区，但是缓冲区里面的数据依然存在，数据存在被遗忘状态
        buf.clear();
        System.out.println("-----------clear()----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity()); //0 1024 1024

        System.out.println((char)buf.get());//a


        //--------------------------------------------------------------
        String str2 = "abcde";
        ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(1024);
        buf2.put(str2.getBytes());

        buf2.flip();

        byte[] dst2 = new byte[buf.limit()];
        buf2.get(dst2, 0, 2);

        System.out.println(new String(dst2, 0, 2));
        System.out.println(buf2.position());//2

        //mark() 标记
        buf2.mark();

        buf2.get(dst2, 2, 2);
        System.out.println(new String(dst2, 2, 2));
        System.out.println(buf2.position());//4

        //reset()恢复到mark的位置
        buf2.reset();
        System.out.println(buf2.position());//2

        //--------------------------------------------------------------
        //分配直接缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        System.out.println(buffer.isDirect()); //判断是否是直接缓冲区
    }
}