Java之ByteBuffer详解
原文地址:http://kakajw.iteye.com/blog/1797073
类ByteBuffer是Java nio程序经常会用到的类,也是重要类 ,我们通过源码分析该类的实现原理。
一.ByteBuffer类的继承结构
public abstract class ByteBuffer
extends Buffer
implements Comparable<ByteBuffer>
ByteBuffer的核心特性来自Buffer
二. ByteBuffer和Buffer的核心特性
A container for data of a specific primitive type. 用于特定基本类型数据的容器。
子类ByteBuffer支持除boolean类型以外的全部基本数据类型。
补充,回顾Java的基本数据类型
Java语言提供了八种基本类型,六种数字类型(四个整数型,两个浮点型),一种字符类型,一种布尔型。
1、整数:包括int,short,byte,long
2、浮点型:float,double
3、字符:char
4、布尔:boolean
类型 大小 最小值 最大值
byte 8-bit -128 +127
short 16-bit -2^15 +2^15-1
int 32-bit -2^31 +2^31-1
long 64-bit -2^63 +2^63-1
float 32-bit IEEE754 IEEE754
double 64-bit IEEE754 IEEE754
char 16-bit Unicode 0 Unicode 2^16-1
boolean ----- ----- ------
本质上,Buffer也就是由装有特定基本类型数据的一块内存缓冲区和操作数据的4个指针变量(mark标记,position位置, limit界限,capacity容量)组成。不多说,上源码:
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public abstract class Buffer {
- // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
- private int mark = -1;
- private int position = 0;
- private int limit;
- private int capacity;
- ......
- }
- public abstract class ByteBuffer
- extends Buffer
- implements Comparable<ByteBuffer>
- {
- // These fields are declared here rather than in Heap-X-Buffer in order to
- // reduce the number of virtual method invocations needed to access these
- // values, which is especially costly when coding small buffers.
- //
- final byte[] hb; // Non-null only for heap buffers
- final int offset;
- boolean isReadOnly; // Valid only for heap buffers
- ......
- }
其中,字节数组final byte[] hb就是所指的那块内存缓冲区。
Buffer缓冲区的主要功能特性有:
a.Transferring data 数据传输,主要指可通过get()方法和put()方法向缓冲区存取数据,ByteBuffer提供存取除boolean以为的全部基本类型数据的方法。
b.Marking and resetting 做标记和重置,指mark()方法和reset()方法;而标记,无非是保存操作中某个时刻的索引位置。
c.Invariants 各种指针变量
d.Clearing, flipping, and rewinding 清除数据,位置(position)置0(界限limit为当前位置),位置(position)置0(界限limit不变),指clear()方法, flip()方法和rewind()方法。
e.Read-only buffers 只读缓冲区,指可将缓冲区设为只读。
f.Thread safety 关于线程安全,指该缓冲区不是线程安全的,若多线程操作该缓冲区,则应通过同步来控制对该缓冲区的访问。
g.Invocation chaining 调用链, 指该类的方法返回调用它们的缓冲区,因此,可将方法调用组成一个链;例如:
b.flip();
b.position(23);
b.limit(42);
等同于
b.flip().position(23).limit(42);
三.ByteBuffer的结构
ByteBuffer主要由是由装数据的内存缓冲区和操作数据的4个指针变量(mark标记,position位置, limit界限,capacity容量)组成。
内存缓冲区:字节数组final byte[] hb;
ByteBuffer的主要功能也是由这两部分配合实现的,如put()方法,就是向数组byte[] hb存放数据。
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(10);
- // 向bb装入byte数据
- bb.put((byte)9);
底层源码的实现如下
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- class HeapByteBuffer
- extends ByteBuffer
- {
- ......
- public ByteBuffer put(byte x) {
- hb[ix(nextPutIndex())] = x;
- return this;
- }
- ......
- final int nextPutIndex() {
- if (position >= limit)
- throw new BufferOverflowException();
- return position++;
- }
- ......
- }
如上所述,bb.put((byte)9);执行时,先判断position 是否超过 limit,否则指针position向前移一位,将字节(byte)9存入position所指byte[] hb索引位置。
get()方法相似;
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public byte get() {
- return hb[ix(nextGetIndex())];
- }
4个指针的涵义
position:位置指针。微观上,指向底层字节数组byte[] hb的某个索引位置;宏观上,是ByteBuffer的操作位置,如get()完成后,position指向当前(取出)元素的下一位,put()方法执行完成后,position指向当前(存入)元素的下一位;它是核心位置指针。
mark标记:保存某个时刻的position指针的值,通过调用mark()实现;当mark被置为负值时,表示废弃标记。
capacity容量:表示ByteBuffer的总长度/总容量,也即底层字节数组byte[] hb的容量,一般不可变,用于读取。
limit界限:也是位置指针,表示待操作数据的界限,它总是和读取或存入操作相关联,limit指针可以被 改变,可以认为limit<=capacity。
ByteBuffer结构如下图所示
四. ByteBuffer的关键方法实现
1.取元素
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public abstract byte get();
- //HeapByteBuffer子类实现
- public byte get() {
- return hb[ix(nextGetIndex())];
- }
- //HeapByteBuffer子类方法
- final int nextGetIndex() {
- if (position >= limit)
- throw new BufferUnderflowException();
- return position++;
- }
2.存元素
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public abstract ByteBuffer put(byte b);
- //HeapByteBuffer子类实现
- public ByteBuffer put(byte x) {
- hb[ix(nextPutIndex())] = x;
- return this;
- }
3.清除数据
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final Buffer clear() {
- position = 0;
- limit = capacity;
- mark = -1;
- return this;
- }
可见,对于clear()方法,ByteBuffer只是重置position指针和limit指针,废弃mark标记,并没有真正清空缓冲区/底层字节数组byte[] hb的数据;
ByteBuffer也没有提供真正清空缓冲区数据的接口,数据总是被覆盖而不是清空。
例如,对于Socket读操作,若从socket中read到数据后,需要从头开始存放到缓冲区,而不是从上次的位置开始继续/连续存放,则需要clear(),重置position指针,但此时需要注意,若read到的数据没有填满缓冲区,则socket的read完成后,不能使用array()方法取出缓冲区的数据,因为array()返回的是整个缓冲区的数据,而不是上次read到的数据。
4. 以字节数组形式返回整个缓冲区的数据/byte[] hb的数据
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final byte[] array() {
- if (hb == null)
- throw new UnsupportedOperationException();
- if (isReadOnly)
- throw new ReadOnlyBufferException();
- return hb;
- }
5.flip-位置重置
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final Buffer flip() {
- limit = position;
- position = 0;
- mark = -1;
- return this;
- }
socket的read操作完成后,若需要write刚才read到的数据,则需要在write执行前执行flip(),以重置操作位置指针,保存操作数据的界限,保证write数据准确。
6.rewind-位置重置
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final Buffer rewind() {
- position = 0;
- mark = -1;
- return this;
- }
Rewinds this buffer. The position is set to zero and the mark is discarded.
和flip()相比较而言,没有执行limit = position;
7.判断剩余的操作数据或者剩余的操作空间
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final int remaining() {
- return limit - position;
- }
常用于判断socket的write操作中未写出的数据;
8.标记
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final Buffer mark() {
- mark = position;
- return this;
- }
9.重置到标记
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public final Buffer reset() {
- int m = mark;
- if (m < 0)
- throw new InvalidMarkException();
- position = m;
- return this;
- }
五.创建ByteBuffer对象的方式
1.allocate方式
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
- if (capacity < 0)
- throw new IllegalArgumentException();
- return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
- }
- HeapByteBuffer(int cap, int lim) { // package-private
- super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
- /*
- hb = new byte[cap];
- offset = 0;
- */
- }
- // Creates a new buffer with the given mark, position, limit, capacity,
- // backing array, and array offset
- //
- ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap, // package-private
- byte[] hb, int offset)
- {
- super(mark, pos, lim, cap);
- this.hb = hb;
- this.offset = offset;
- }
- // Creates a new buffer with the given mark, position, limit, and capacity,
- // after checking invariants.
- //
- Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) { // package-private
- if (cap < 0)
- throw new IllegalArgumentException();
- this.capacity = cap;
- limit(lim);
- position(pos);
- if (mark >= 0) {
- if (mark > pos)
- throw new IllegalArgumentException();
- this.mark = mark;
- }
- }
- p;
由此可见,allocate方式创建ByteBuffer对象的主要工作包括: 新建底层字节数组byte[] hb(长度为capacity),mark置为-1,position置为0,limit置为capacity,capacity为用户指定的长度。
2.wrap方式
![](http://kakajw.iteye.com/images/icon_star.png)
- public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
- return wrap(array, 0, array.length);
- }
- public static ByteBuffer wrap(byte[] array,
- int offset, int length)
- {
- try {
- return new HeapByteBuffer(array, offset, length);
- } catch (IllegalArgumentException x) {
- throw new IndexOutOfBoundsException();
- }
- }
- HeapByteBuffer(byte[] buf, int off, int len) { // package-private
- super(-1, off, off + len, buf.length, buf, 0);
- /*
- hb = buf;
- offset = 0;
- */
- }
wrap方式和allocate方式本质相同,不过因为由用户指定的参数不同,参数为byte[] array,所以不需要新建字节数组,byte[] hb置为byte[] array,mark置为-1,position置为0,limit置为array.length,capacity置为array.length。
六、结论
由此可见,ByteBuffer的底层结构清晰,不复杂,源码仍是弄清原理的最佳文档。
读完此文,应该当Java nio的SocketChannel进行read或者write操作时,ByteBuffer的四个指针如何移动有了清晰的认识。
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