NIO系列一:BufferNIO介绍Buffer介绍

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NIO介绍

NIO(Non-blocking I/O),是一种同步非阻塞的I/O模型,也是I/O多路复用的基础,已经被越来越多地应用到大型应用服务器,成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。
NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。

Buffer介绍

NIO中的Buffer实现有:ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer,分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等。NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写入到通道中的。缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

写入数据到Buffer

调用flip()方法

从Buffer中读取数据

调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时,buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据,需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下,可以读取之前写入到buffer的所有数据。
一旦读完了所有的数据,就需要清空缓冲区,让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区:调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处,新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

Buffer的capacity,position和limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性:

capacity
position
limit
position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式,capacity的含义总是一样的。

capacity,position和limit关系如图。

逻辑.PNG

容量(Capacity)

缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定,并且永远不能被改变。

上界(Limit)

缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说,缓冲区中现存元素的计数。

位置(Position)

下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的get( )和put( )函数更新。

标记(Mark)

一个备忘位置。调用mark( )来设定mark = postion。调用reset( )设定position = mark。标记在设定前是未定义的(undefined)。这四个属性之间总是遵循以下关系: 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

位置被设置为0,而且容量和上界被设置为9,超过缓冲区能容纳的最后一个字节,标记初始未定义(-1),当缓冲区创建完毕,则容量就不变,而其他属性随读写等操作改变。

Buffer的选择

Buffer的类型
Java NIO 有以下Buffer类型
ByteBuffer,
MappedByteBuffer,
CharBuffer,
DoubleBuffer,
FloatBuffer,
IntBuffer,
LongBuffer,
ShortBuffer
这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说,就是可以通过char,short,int,long,float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

操作系统的一次写操作分为两步: 1. 将数据从用户空间拷贝到系统空间。 2. 从系统空间往网卡写。同理,读操作也分为两步: ① 将数据从网卡拷贝到系统空间; ② 将数据从系统空间拷贝到用户空间。
对于NIO来说,缓存的使用可以使用DirectByteBuffer和HeapByteBuffer。如果使用了DirectByteBuffer,一般来说可以减少一次系统空间到用户空间的拷贝。但Buffer创建和销毁的成本更高,更不宜维护,通常会用内存池来提高性能。

如果数据量比较小的中小应用情况下,可以考虑使用heapBuffer;反之可以用directBuffer。
使用NIO != 高性能,当连接数<1000,并发程度不高或者局域网环境下NIO并没有显著的性能优势。
NIO并没有完全屏蔽平台差异,它仍然是基于各个操作系统的I/O系统实现的,差异仍然存在。使用NIO做网络编程构建事件驱动模型并不容易,陷阱重重。
推荐大家使用成熟的NIO框架,如Netty,MINA等。解决了很多NIO的陷阱,并屏蔽了操作系统的差异,有较好的性能和编程模型。

Buffer缓冲区的api

Buffer提供了一组获取缓冲区的api:
public abstract byte get( ):获取缓冲区当前位置上的字节,然后增加位置;
public abstract byte get (int index):获取指定索引中的字节;
public abstract ByteBuffer put (byte b):将字节写入当前位置的缓冲区中,并增加位置;
public abstract ByteBuffer put (int index, byte b):将自己写入给定位置的缓冲区中;
Get和put可以是相对的或者是绝对的。在前面的程序列表中,相对方案是不带有索引参数的函数。当相对函数被调用时,位置在返回时前进一。如果位置前进过多,相对运算就会抛出异常。对于put(),如果运算会导致位置超出上界,就会抛出BufferOverflowException异常。对于get(),如果位置不小于上界,就会抛出BufferUnderflowException异常。绝对存取不会影响缓冲区的位置属性,但是如果您所提供的索引超出范围(负数或不小于上界),也将抛出IndexOutOfBoundsException异常。

Buffer常用方法

翻转
flip()方法
flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。

换句话说,position现在用于标记读的位置,limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

Flip()函数将一个能够继续添加数据元素的填充状态的缓冲区翻转成一个准备读出元素的释放状态。

public final Buffer flip() { 
  limit = position; 
  position = 0; 
  mark = -1; 
  return this; 
}
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clear()与compact()方法
一旦读完Buffer中的数据,需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法,position将被设回0,limit被设置成 capacity的值。换句话说,Buffer 被清空了。clear只是对Position和limit的位置做了初始化的调整(就是position = 0,limit = capacity),buffer中的数据并没有清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先先写些数据,那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }


public ByteBuffer compact() {
 
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
        position(remaining());
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;
 }
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rewind()方法
Buffer.rewind()将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素(byte、char等)。

public final Buffer rewind() { 
  position = 0; 
  mark = -1; 
  return this; 
}
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