JDK8 NIO.Buffer源码解析深入理解clear flip rewind compact

前言

在NIO体系中，Buffer至关重要，因为我们通过Buffer和Channel打交道，事实上我们永远无法和Channel直接打交道，只能通过Buffer作为媒介。如果把Channel比喻为蕴含着数据的矿山，那么Buffer就是用来装数据的矿车，我们只能把矿车送进矿车，并期待矿车回来时能塞满了来自矿山的数据，却不能直接进去挖矿。

成员

A buffer’s capacity is the number of elements it contains. The capacity of a buffer is never negative and never changes.

A buffer’s position is the index of the next element to be read or written. A buffer’s position is never negative and is never greater than its limit.

A buffer’s limit is the index of the first element that should not be read or written. A buffer’s limit is never negative and is never greater than its capacity.

capacity代表不可能索引。即最大索引加一，capacity永远不变。
position代表即将读取或写入的元素的索引。所以初始化时position为0，因为即将读取或写入0号元素；当读取或写入了最后一个元素后，position就应该等于capacity了。
limit代表着读取或写入的限制，即不可以读取或写入位于limit索引的元素。当position已经增加到了limit，此时再读取或写入是不可以的。
实际上我们可以操作（读取或写入）的范围就是position<= range < limit，即[ position, limit )左闭右开。
必须保持0 <= mark <= position <= limit <= capacity。

如图，初始状态时：mark为-1，position为0，capacity为最大索引+1（虚线框代表这是一个不存在的元素，capacity写在里面代表capacity永远不变，相对的，其他三个成员是可变的，所以是箭头表示），limit等于capacity。

传输数据

Buffer的子类用来传输数据的方法有get和put，但这些方法分为两个种类：

相对操作。根据position成员来读取或写入数据，并且之后会根据读取写入的数据量来增加position。相对操作里，get操作可能抛出BufferUnderflowException；put操作可能抛出BufferOverflowException。
绝对操作。不根据position成员，而是根据该方法的一个参数作为索引，然后根据这个索引get或put，不会改变position。可能抛出IndexOutOfBoundsException。

mark和reset

上面还有一个成员mark没讲，它是用来标记位置的。当mark被调用时，position成员会赋值给mark成员；当reset函数被调用时，mark成员会赋值给position成员（一般情况下，position肯定是往后移动了）。
但注意，肯定会保持不变关系0 <= mark <= position <= limit <= capacity。所以，当position或limit成员变得比mark成员还小的时候，mark会恢复默认。

深入理解clear flip rewind compact

前面也讲了，Buffer的索引只有一套，但我们却需要用来这套索引来进行读取或写入两种动作。既然只有一套索引（position和limit），那么肯定读模式下的索引，你再去写肯定是不对的；同样，写模式下的索引，你再去读肯定也是不对的。

clear() makes a buffer ready for a new sequence of channel-read or relative put operations: It sets the limit to the capacity and the position to zero.

flip() makes a buffer ready for a new sequence of channel-write or relative get operations: It sets the limit to the current position and then sets the position to zero.

rewind() makes a buffer ready for re-reading the data that it already contains: It leaves the limit unchanged and sets the position to zero.

clear和flip

上面三句api文档原话先不解释，先看里面提到的关键词：

channel-read or relative put operations。相对的put操作，肯定是往Buffer里放东西，然后索引增加；对channel的读操作，从channel里读出东西，再往Buffer里面放，然后索引增加。其实这就是对Buffer的写模式，既然要往Buffer写入数据，那就应该把position变成最小，limit变成最大，以便一次内获得最多的数据。所以在写模式进行之前，需要调用clear()。简单的说，写模式之前告诉别人Buffer的可写范围，别人不用管范围内是否已有数据，直接覆盖就好。在写模式的进行中，position会逐渐变大，但position不一定会到达limit，即不一定会写满数据，所以：写入数据的范围就是[0,position)。

    public final Buffer clear() {
        position = 0;  // position变成最小
        limit = capacity;  // limit变成最大
        mark = -1;
        return this;
    }

channel-write or relative get operations。相对的get操作，从Buffer中读出数据，然后索引增加；对channel的写操作，即把Buffer里的数据，写入到channel里，然后索引增加。其实这就是对Buffer的读模式，既然要进行读模式，说明之前肯定执行过写模式好让Buffer塞好数据，上一条说了写入数据的范围是[0,position)，所以在执行读模式之前，就应该把position赋值给limit，再把position置为0，这样，从position到limit的范围肯定就和之前执行写模式的写入数据的范围一样了。所以在执行读模式之前，需要调用flip()。这个也很好理解，既然是读模式，你肯定得把可读范围告诉人家啊，毕竟可读范围以外都是无效数据啊。

    public final Buffer flip() {
        limit = position;  // 把position赋值给limit
        position = 0;  // 再把position置为0
        mark = -1;
        return this;
    }

讲一下单词的意义吧：

clear的意思是清空，实际函数逻辑也是恢复初始状态。
clip的意思是翻转，从上图第二个状态到第三个状态也可以看出，且把position和limit两个指针当作整体，可以看出：一个指针的位置根本没有变化，另一个指针的位置从capacity变成0，这不就是翻转嘛。

rewind

re-reading the data。之前已经执行过读模式了，然后想再次读取数据，所以需要恢复到读模式之前的该有的状态，所以只需要把position归零，limit保持不变。所以，之前执行过读模式，想要再次从头读取数据，需要在第二次读模式之前调用rewind()。这样，调用rewind后，position和limit的位置，就和第一次读模式之前调用flip后的位置一样。

    public final Buffer rewind() {
        position = 0;  // position归零
        // limit保持不变
        mark = -1; 
        return this;
    }

讲一下单词的意义吧：rewind的意思是倒带，实际函数逻辑也只是把position恢复初始，这完全符合该函数的作用：为了第二次执行读模式，这不就是倒带嘛。

compact

既然这三个方法都讲了，还是提前讲一下compact方法吧：

大家一定觉得clear方法有点太暴力了，因为它为了能够接下来进行写模式，把所有成员都恢复默认了。假设调用clear方法之前，进行了读模式，但却没有读完所有可读数据，在调用clear方法后，这些数据你再也无法去获得了，因为用来记录剩余可读数据的索引成员都被恢复默认了。
如果有一种更温柔的方法，那么它的方法实现应该是：把剩余可读数据拷贝到Buffer的开头，然后把position设置为剩余可读数据的个数，把limit设置为capacity（还是为了可以在写模式中获取最多的数据）。这个方法正是compact方法。
所以，在写模式之前，如果不用管剩余可读数据，那么调用clear()；如果还需要剩余可读数据，那么调用compact()。

//HeapByteBuffer.java
    public ByteBuffer compact() {
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());  // 剩余可读数据拷贝到Buffer的开头
        position(remaining());  // position设置为剩余可读数据的个数
        limit(capacity());  // 把limit设置为capacity
        discardMark();
        return this;
    }

如图，蓝色块为已读数据，绿色块为未读数据（剩余可读数据）。

讲一下单词的意义吧：compact的意思是压实，实际上也是把剩余可读数据压实到Buffer的前面去了。

抽象方法

public abstract boolean isReadOnly()。每个Buffer都是可读，但不一定是可写的。不可写的，那么就是只读的。
public abstract boolean hasArray()。一个Buffer它可以是由一个数组作为支撑的，即Buffer拥有一个数组成员作为数据来源。
public abstract Object array()。如果该Buffer是依靠数组的（the array that backs this buffer），那么就返回该数组。
public abstract int arrayOffset()。假设该Buffer是依靠数组的，但Buffer的第一个元素不一定在数组开头，所以该函数返回数组的偏移。
public abstract boolean isDirect()。该Buffer是不是直接的。

具体实现方法

相对的get操作，用到的方法

    final int nextGetIndex() {                          // package-private
        if (position >= limit)
            throw new BufferUnderflowException();
        return position++;
    }

    final int nextGetIndex(int nb) {                    // package-private
        if (limit - position < nb)
            throw new BufferUnderflowException();
        int p = position;
        position += nb;
        return p;
    }

它们都是包的访问权限，只有一个包或者子类才能访问。这两个方法结束后，都会增加position。
第一个方法是要相对地get到1个元素，所以索引加1。
第二个方法是要相对地get到nb个元素，所以索引加nb。limit - position是剩余可get元素的个数，所以需要检查。
两个方法都是返回position增加前的原position，比较原position才是get的起点。

相对的put操作，用到的方法

    final int nextPutIndex() {                          // package-private
        if (position >= limit)
            throw new BufferOverflowException();
        return position++;
    }

    final int nextPutIndex(int nb) {                    // package-private
        if (limit - position < nb)
            throw new BufferOverflowException();
        int p = position;
        position += nb;
        return p;
    }

分析类似。

绝对的get/put操作，用到的方法

    final int checkIndex(int i) {                       // package-private
        if ((i < 0) || (i >= limit))
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        return i;
    }

    final int checkIndex(int i, int nb) {               // package-private
        if ((i < 0) || (nb > limit - i))
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        return i;
    }

分析类似。两个方法都是从参数i开始get/put元素，第二个方法需要连续get/put nb个元素，所以需要检查当前可操作元素个数limit - i。

其他方法

    static void checkBounds(int off, int len, int size) { // package-private
        if ((off | len | (off + len) | (size - (off + len))) < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException();
    }

此静态方法用来检查边界。
小于0是因为算出来的数字的符号位bit是1，所以会小于。
括号里面有四个数字，且是用|与起来的，这四个数字只要有一个数字的符号位bit为1，算出来的数字就会小于0（因为|与的作用）。分别分析四种情况：
- off小于0.
- len小于0.
- 虽然off len二者都不小于0，但是加起来后溢出，导致符号位bit为1.
- off + len相当于limit，即第一个不应该操作的元素；size相当于capacity。当limit大于capacity时，肯定是错的啊。

链式操作

由于很多方法都return this，且他们的返回值类型都为Buffer，所以我们可以实现一些链式操作，可能会有用吧。

b.flip();
b.position(23);
b.limit(42);
//可以替换为下面这句
b.flip().position(23).limit(42);

posted @ 2020-02-23 17:20 allMayMight 阅读(401) 评论(0) 编辑收藏举报

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