Java NIO之缓冲区

• 简介
  • IO概念
    • 缓冲区操作
    • 虚拟内存
    • 文件IO
    • 流IO
• 缓冲区
  • Buffer属性
  • Buffer数据填充、翻转、释放、压缩、标记
  • Buffer比较
  • Buffer批量移动
  • 复制缓冲区
• 字节缓冲区
  • 直接缓冲区
  • 其他缓冲区

简介

几个IO事实： 1. 影响应用程序执行效率的限定因素，往往非处理速率，而是IO 2. OS要移动大块数据，往往是在DMA协助下完成，而JVM的IO操作往往是小块数据，有了NIO，可改变这种情况 3. JDK1.4，java.nio提供了一套新的抽象用于IO处理

IO概念

缓冲区操作

进程执行IO操作，要么把缓冲区的数据排干（read），要么用数据把缓冲区填满（write）。 进程使用read（）系统调用，要求其缓冲区需要被填满，内核随机向磁盘控制硬件发出命令，通过DMA（无需主CPU协助）讲数据写入内核内存缓冲区，一旦磁盘控制器把缓冲区装满，内核即把数据从内核空间的临时缓冲区拷贝到进程read（）调用时执行的缓冲区。

其中用户空间和内核空间：
用户空间是常规进程所在区域，如JVM。内核空间是操作系统所在区域，有特别权力，能与设备控制器通讯，控制用户区域进程的运行状态等。总之，所有IO都直接或间接通过内核空间。
硬件不能直接访问用户空间，硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。

虚拟内存

使用虚拟地址取代物理内存地址，有个两大类好处，一是多个虚拟地址可知指向同一物理地址，二是虚拟内存空间可大于硬件内存。

文件IO

文件系统与磁盘不同，文件系统是高层次的抽象，是安排、解释磁盘或其他随机存取块设备数据的一种独特方法。 文件系统数据也会同其他内存页一样得到高速缓存，对于随后发生的IO请求，文件数据的部分或全部可能仍位于物理内存中，无需从磁盘读取。

文件锁定：分为共享和独占。多个共享锁可同时对同一文件区域发生作用，独占锁要求相关区域不能有其他锁起作用。

流IO

原理模仿通道，必须顺序存取，如控制台设备、打印机端口。

缓冲区

Buffer类是nio构造基础，一个Buffer对象是固定数量的数据容器，在这里的数据可悲存储并在之后用于检索。可以理解为是I/O操作中数据的中转站。缓冲区直接为通道(Channel)服务，写入数据到通道或从通道读取数据，这样的操利用缓冲区数据来传递就可以达到对数据高效处理的目的。

Buffer属性

容量capacity：创建时设定，不可改变。 上界limit：不可读写。现存元素的计数。 位置position：下一个要被读或写元素的索引。 标记mark：一个备忘位置。

Buffer数据填充、翻转、释放、压缩、标记

java.nio.Buffer类是一个抽象类，不能被实例化。Buffer类的直接子类，如ByteBuffer等也是抽象类，所以也不能被实例化。 但是ByteBuffer类提供了静态工厂方法来获得ByteBuffer的实例，终于到了show代码的时候了=。=，如下： ```java //初始化 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); //数据填充 buffer.put((byte) 'H').put((byte) 'e').put((byte) 'l').put((byte) 'l').put((byte) 'o');

	System.out.println(buffer.toString());//java.nio.HeapByteBuffer[pos=5 lim=1024 cap=1024]
	System.out.println((char) (buffer.get(0)));//H

	//数据修改
	buffer.put(0, (byte) 'M').put((byte) 'w');

	System.out.println(buffer.toString());//java.nio.HeapByteBuffer[pos=6 lim=1024 cap=1024]
	System.out.println((char) (buffer.get(0)));//M

	//flip将position归0，将一个待填充状态的缓冲区翻转成准备读出状态
	System.out.println(buffer);//java.nio.HeapByteBuffer[pos=6 lim=1024 cap=1024]
	buffer.flip();
	//buffer.rewind();//类似flip，但是不影响limit属性。java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]
	System.out.println(buffer);//java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=6 cap=1024]

	//使用hasRemaining()判断是否达到缓冲区上界
	while (buffer.hasRemaining()) {
		System.out.print((char) (buffer.get()));
	}//Mellow
	System.out.println("");

	//压缩，compact丢弃已释放数据，保留未释放数据
	buffer.compact();
	//mark，在某个位置标记，reset( )函数将位置设为当前的标记值。
	// 如果标记值未定义，调 用 reset( )将导致 InvalidMarkException 异常。
	// 一些缓冲区函数会抛弃已经设定的标记 (rewind( )，clear( )，以及 flip( )总是抛弃标记)。
	buffer.position(2).mark();

<h4 id=9><font color=red size=3 face="微软雅黑">Buffer比较</font></h4>
比较两个缓冲区，ByteBuffer已经实现Comparable接口，源码如下：
```java
 public int compareTo(ByteBuffer that) {
        int n = this.position() + Math.min(this.remaining(), that.remaining());
        for (int i = this.position(), j = that.position(); i < n; i++, j++) {
            int cmp = compare(this.get(i), that.get(j));
            if (cmp != 0)
                return cmp;
        }
        return this.remaining() - that.remaining();
    }

    private static int compare(byte x, byte y) {
        return Byte.compare(x, y);

    }

Buffer批量移动

```java //批量取 byte[] myArray = new byte[1000]; buffer.get(myArray); //等价于: buffer.get(myArray, 0, myArray.length);

	//批量存
	byte[] myString = new byte[1000];
	buffer.put(myString);
	//等价于:
	buffer.put(myString,0,myString.length);

<h4 id=11><font color=red size=3 face="微软雅黑"> 复制缓冲区</font></h4>
使用duplicate()函数可以复制缓冲区，会创建一个新的buffer对象，但并不会复制数据，原始缓冲区和副本都会操作同样的数据元素。

<h4 id=12><font color=red size=3 face="微软雅黑"> 字节缓冲区</font></h4>
所有的基本数据类型都有相应的缓冲区类（布尔除外），字节类型比较特殊，字节是操作系统和其IO设备使用的基本类型。
非字节类型的基本类型，也是由字节组合成的，比如char2个字节，int4个字节，double8个字节。组合的字节是有顺序的，Java默认的字节顺序是大端字节顺序，参见类ByteOreder。

<h4 id=13><font color=red size=3 face="微软雅黑"> 直接缓冲区</font></h4>
字节缓冲区可以成为通道所执行IO的源头或目标，非字节缓冲区传递给通道，会隐含执行复制内容到一个临时ByteBuffer，所以直接缓冲区是IO的最佳选择。
通过isDirect()函数，判定缓冲区是否为直接缓冲区。

<h4 id=14><font color=red size=3 face="微软雅黑"> 其他缓冲区</font></h4>
视图缓冲区，这种视图对象维持它自己的属性、容量、位置、上界和标记，但是和原来缓冲区共享数据元素。
`CharBuffer charBuffer = byteBuffer.asCharBuffer( );`

ByteBuffer类为每一种原始数据类型提供了存取和转化的方法，比如getInt()函数被调用，从当前位置开始的4个字节会被包装成一个int类型变量返回。
对于无符号数据，自行实现，注意精度问题。