ByteBuffer源碼分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，往往需要使用到緩沖區(qū)，常用的緩沖區(qū)就是JDK NIO類庫中提供的java.nio.Buffer，實(shí)現(xiàn)類如下：

在使用NIO編程時，最常用的是其中的ByteBuffer，本篇分析ByteBuffer內(nèi)部的源碼實(shí)現(xiàn)，順序從父類Buffer入手，了解父類中基礎(chǔ)API的實(shí)現(xiàn)，再到各個實(shí)現(xiàn)子類的實(shí)現(xiàn)。

Buffer

Buffer是存放一種特定的、原始的數(shù)據(jù)的容器。Buffer是一種特定原始類型元素的線性的有限序列集合，其核心的屬性有capacity、limit、Position。

capacity：Buffer的容量，表示可以容納的元素?cái)?shù)量

limit：表示第一個不可以被讀取或者寫入的元素的位置

position：表示下一個被讀取或者寫入的位置

三者之間的關(guān)系如下：0<=position<=limit<=capacity

Buffer只有一個構(gòu)造方法：

這個構(gòu)造方式是protected的，也就是說只有在包內(nèi)可以調(diào)用。構(gòu)造方法中除了capacity、limit、position外還有一個mark參數(shù)，且校驗(yàn)了mark參數(shù)必須小于position。這個參數(shù)非常簡單，用于標(biāo)記position的當(dāng)前位置，在進(jìn)行讀取寫入之類的操作之后可以通過API重新將position重置到標(biāo)記的位置，對應(yīng)的API為：Buffer#mark()\Buffer#reset()

Buffer中一個比較重要的API是Buffer#flip

這個方法就是將limit設(shè)置到position位置，將position調(diào)整到0，將mark設(shè)置為-1。

為什么需要有這么一個方法調(diào)整位置呢？

這個主要和Buffer只有一個position作為游標(biāo)相關(guān)，讀寫都是基于position的，所以在寫操作完成之后需要進(jìn)行讀操作時，需要將limit設(shè)置為position標(biāo)記有寫到哪兒了，而將position 重新移到0，這樣就可以讀取到所有的寫入數(shù)據(jù)。假設(shè)如果有兩個游標(biāo)分別表示讀取和寫入的位置，是否就可以不用這個API了呢？

Buffer中的代碼都非常簡單，主要就是自身屬性信息的設(shè)置和返回，像返回position、返回limit信息等，展開細(xì)看。

ByteBuffer

ByteBuffer是Buffer的一個子類，是字節(jié)緩沖區(qū)。ByteBuffer在Buffer之上定義了6中操作：

1. 通過當(dāng)前位置和指定位置的方式讀取和寫入byte

2. 通過get(byte[])的方式將ByteBuffer中的數(shù)據(jù)讀取到byte[]中

3. 通過put(byte[])的方式將連續(xù)大量的byte數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)

4. 通過當(dāng)前位置和指定位置的方式將其他類型的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)或從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定類型

5. 提供將ByteBuffer轉(zhuǎn)換成其他類型的Buffer視圖的方法，例如ByteBuffer#asCharBuffer

6. 提供compact、duplicate、slice來執(zhí)行一些對ByteBuffer的操作

ByteBuffer的構(gòu)造方法如下：

提供了兩個構(gòu)造方法，相對于Buffer增加了一個byte數(shù)組和一個offset。byte數(shù)組用于存儲數(shù)據(jù)，offset表示ByteBuffer背后實(shí)際用于存儲的byte數(shù)據(jù)的其實(shí)位置。即你可以使用一個byte數(shù)據(jù)，從它的任何一個下標(biāo)開始存儲數(shù)據(jù)，而不一定是0。

當(dāng)然，這兩個方法都是protected的，也就是說實(shí)際我們“不能”通過這兩個方法去構(gòu)造我們需要的緩沖區(qū)。

那么當(dāng)我們需要使用緩沖區(qū)的時候我們?nèi)绾稳?gòu)造一個呢？ByteBuffer提供了兩個API：ByteBuffer#allocateDirect、ByteBuffer#allocate

ByteBuffer#allocateDirect分配一個DirectByteBuffer，即這個緩沖區(qū)是使用堆外內(nèi)存的。

ByteBuffer#allocate在JVM堆上分配一塊內(nèi)存。

新分配的內(nèi)存position都是0，limit為容量，初始內(nèi)部填充的數(shù)據(jù)都為0。

除了通過allocate去創(chuàng)建ByteBuffer，還有一種方式是通過wrap來包裝一個byte數(shù)組，這樣就可以使用ByteBuffer的API來對byte數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

因?yàn)?span lang="en-us" xml:lang="en-us">byte數(shù)據(jù)本身在堆內(nèi)，所以wrap的ByteBuffer也就是HeapByteBuffer。

offset和length將被作為ByteBuffer初始的position和limit。

allocate和wrap都是創(chuàng)建了“新”的ByteBuffer，這里新的含義是他們背后都有自己獨(dú)立的byte數(shù)組用于存儲數(shù)據(jù)。還有一類API，他們也創(chuàng)建ByteBuffer，但是它只是個視圖，擁有自己的position、limit等屬性，但是存儲的byte數(shù)組是共享的：

• ByteBuffer#slice：創(chuàng)建一個的ByteBuffer，內(nèi)容是當(dāng)前ByteBuffer的一個子序列，共享一個byte數(shù)組；兩個ByteBuffer的position、limit、mark是獨(dú)立的；新ByteBuffer的起始位置是原ByteBuffer的position位置

• ByteBuffer#duplicate：“復(fù)制”一個ByteBuffer，共享存儲的byte數(shù)據(jù)，擁有獨(dú)立的capacity、limit、position、mark屬性；如果當(dāng)前ByteBuffer是DirectByteBuffer，那么新Buffer也是DirectByteBuffer，如果當(dāng)前是HeapByteBuffer，那么新分配的也是HeapByteBuffer

ByteBuffer提供另外一類API來將自己轉(zhuǎn)換成另一個類型的緩沖區(qū)：

• ByteBuffer#asXXXBuffer：比如asLongBuffer創(chuàng)建一個新的LongBuffer，底層的存儲還是共享當(dāng)前的byte數(shù)組，同時擁有自己的position、limit、mark屬性，新Buffer的position為0，limit和capacity為原Buffer除8，因?yàn)橐粋€long類型占用8個byte;其他asXXXBuffer方法都類似

ByteBuffer中還有一類API是提供基于當(dāng)前位置或者指定位置來讀寫數(shù)據(jù)的：

• byte getByte()

• byte getByte(int index)

• int getInt()

• int getInt(int index)

• ...

這兩種API的差異是沒有參數(shù)的API會從當(dāng)前position開始讀取數(shù)據(jù)，之后會修改position位置。而通過傳入index，會從index開始讀取數(shù)據(jù)，不會變更position信息。所以如果只是要讀取數(shù)據(jù)，并不希望更改Buffer本身的信息（position），應(yīng)該使用帶有參數(shù)的方法。

ByteBuffer的內(nèi)容只有這么多，接著看它的子類實(shí)現(xiàn)，主要是HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。

HeapByteBuffer

HeapByteBuffer顧名思義就是JVM堆上的字節(jié)緩沖區(qū)，他用于緩存數(shù)據(jù)的byte數(shù)組就是直接在堆內(nèi)申請的。默認(rèn)的構(gòu)造方法直接就是new一個byte數(shù)組作為數(shù)據(jù)存儲的緩沖區(qū)。

HeapByteBuffer非常簡單，就是實(shí)現(xiàn)了ByteBuffer定義的各種put和get方法，沒有什么好分析的。

DirectByteBuffer

DirectByteBuffer翻譯過來就是直接的字節(jié)緩沖區(qū)，它是使用直接內(nèi)存的，即不從JVM的堆上分配內(nèi)存。

首先看DirectByteBuffer的一個內(nèi)部類：Deallocator。從類名可以看出這個類應(yīng)該是做“回收的”。

從代碼看，Deallocator實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，run方法內(nèi)的實(shí)現(xiàn)就是通過unsafe釋放內(nèi)存。

結(jié)合Cleaner就能明白Cleaner是統(tǒng)一的接口，返回Cleaner來執(zhí)行清楚操作，而真正的內(nèi)存回收在Deallocator中執(zhí)行。

接著看DirectByteBuffer的構(gòu)造方法：

只有一個容量作為參數(shù)，而內(nèi)存是直接通過unsafe分配的，可見內(nèi)存是直接分配的，而不是在堆上申請的。另外這是一個受保護(hù)的方法，也就是說用戶是不能直接調(diào)用的。

另外還有幾個構(gòu)造方法，可以直接通過內(nèi)存地址來初始化，或者通過文件描述符來初始化（For memory-mapped buffers），通過已近存在的DirectBuffer來初始化。

這些方法都是提供給MMAP之類的使用的，一般用戶都不會直接調(diào)用到。

剩下的方法，像是slice、duplicate，包括通過address返回內(nèi)存地址都非常簡單就不描述了。

另外DirectByteBuffer內(nèi)部還有一個特殊的方法是asReadOnlyBuffer方法，返回了一個DirectByteBufferR對象。下面看一下DirectByteBufferR做了些什么。

簡單從方法出發(fā)，大概就是返回只讀的一個對象，不能做寫入操作。

實(shí)際上也是非常簡單，所有的put操作都拋出了異常。剩下get和slice等也類似，不再贅述。