Java NIO 学习(二)--Buffer

在第一节中，简单的描述了NIO三个核心的类：channel、buffer、selector；由于缓冲区作为操作的基本，而且底层channel接口没有过多细节（只有两个方法：isOpen、close）这里先讲解缓冲区的详细内容，后面再讲解具体类型的channel和selector;

一、buffer内部细节

在上一节的简单实例中有讲到，缓冲区的读模式和写模式，为什么还会有这样来区分呢？缓冲区可以认为是一个容器，可以看做是某个类型的数组，既然是容器、数组那就应该有容量大小、下标（index），不可能无限读或者写，读写时必须有指定的下标值；

缓存区的读写模式内部其实是使用三个状态变量来控制：
- capacity
- position
- limit

（一）、状态变量

1. capacity

这个状态变量表示缓冲区的容量大小，这个值是固定不变的，指向缓冲区底层数组的最后一个位置；
2. position

在读模式下，该值表示下一个读取数据的位置，通过flip方法切换为读模式时，该值为指向缓存区第一个数据位置；在写模式下，该值表示下一个要写入数据的位置，通过clear方法切换为写模式时，该值指向缓存区第一个数据位置；
3. limit

这个状态变量表示缓存区可读/写的最大位置：在写模式下，该值等于capacity；在读模式下，该值等于切换为读模式时position的位置，表示可读数据位置；

（二）、读写模式改变方法

1. flip方法

改方法必须要在读取缓冲区数据前调用；flip方法将limit变量的位置设置为当前position，将position设置为0，然后就可从缓冲区读取数据；
2. clear方法

该方法必须在向缓冲区写入数据前调用；clear方法将limit变量设置为和capacity一样，将position设置为0；
3. compact方法

该方法可以作为切换写模式调用，它并不像clear方法清空整个缓冲区，只是清除已经读取过的数据，没有被读取过的数据会移动到缓冲区前面：position位置设置为 limit-position，而limit还是设置为和capacity一样；
4. rewind方法

该方法将position变量从设置为0，limit变量保存不变，改方法可以用于读取数据后进行重新读取；
5. mark方法与reset方法

通常这个两个方法是一起配合使用的；mark方法用于标记当前缓冲区的position位置，reset方法用于恢复position为mark的位置；可以用于重复读取某段数据；如果调用reset方法是，缓冲区中没有一个mark，将会抛出InvalidMarkException异常；注意：调用clear、flip、compact、rewind方法会清除掉这个mark；

二、创建缓冲区

1. 缓冲区分配与包装

在对通道进行读和写之前，必须先有一个缓冲区；创建缓冲区，通常通过静态方法allocate分配一个缓冲区：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

allocate方法分配一个指定大小的底层数组，并包装为一个缓存缓冲区对象；
另外还可以通过一个现有的数组直接包装为缓冲区:

byte array[] = new byte[1024];ByteBuffer buffer = ByteBufer.wrap(array);

注意：通过这种方式创建的缓冲区，因为有底层数组的实际引用，可以通过array数组直接修改数据；
2. 缓冲区分片

缓冲区可以使用slice方法创建一个子缓冲区，即是创建一个新的缓冲区，但是共享原缓冲区的一部分数据，使用下面实例代码说明slice方法：

public static void main(String[] args) {        //创建一个容量为10的字节缓冲区        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);        //设置缓冲区中的数据        for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {            buffer.put(i, (byte) i);        }        //手动设置状态变量，创建一个包含原缓冲区index3-6的子缓冲区（分片）        buffer.position(3);        buffer.limit(7);        ByteBuffer slice = buffer.slice();        //对新创建的子缓冲区中每个数据乘10操作        for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {            byte b = slice.get(i);            b*=10;            slice.put(i, b);        }        //重设状态变量        buffer.position(0);        buffer.limit(buffer.capacity());        while (buffer.hasRemaining()) {            System.out.println(buffer.get());        }    }

输出的结果为：

01230405060789

从实例代码可以看出，slice方法从position和limit变量间创建分片，并且分片数据和原缓冲区是共享的；
分片对于方法调用是有很大作用的，对调用的方法，如果只想方法处理其中一部分数据，可以通过slice传递一个子缓冲区作为参数；
3. 只读缓冲区

只读缓冲区只能用于读取数据，不能写入数据；通过缓冲区的asReadOnlyBuffer创建一个新的缓冲区，它与原缓冲区共享数据，但是是只读的；
只读缓冲区主要用于数据的保护，比如：调用一个方法是，可能需要保证缓冲区的数据不被修改，那就可以创建一个只读缓冲区作为参数；

三、分散与聚集(Scatter/Gather)

分散和聚集 I/O 是使用多个（数组）而不是单个缓冲区进行数据读/写；
分散（Scatter）从通道中读取数据时写入多个缓冲区中，通道将数据“分散”到多个缓冲区中；
聚集（Gather）写入通道时将多个缓冲区的数据写入同一个通道，通道将多个缓冲区数据“聚集”到一起；

支持分散读取和聚集写入的通道分别需要继承实现ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel接口：

public interface ScatteringByteChannel    extends ReadableByteChannel{    public long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)        throws IOException;    public long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException;}

read方法像普通读取方法一样，只不多参数是缓冲区数组；
读取时，通道依次填充每个缓冲区，填充满一个后，开始填充下一个；

public interface GatheringByteChannel    extends WritableByteChannel{    public long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)        throws IOException;    public long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException;}

同样，write方法参数是一个缓冲区数组；
写入时，依次写入每个缓冲区的数据；

分散/聚集方便实现复杂且有固定格式数据的传输，比如网络通信的消息传输，可以统计为固定长度的消息头、消息体，就可通过两个固定长度的缓冲区进行分散/聚集的传输；

这节详细描述了缓冲区一些内部细节和方法，以及创建、分片、分散/聚集等，主要使用ByteBuffer描述，因为ByteBuffer更加通用；其他基本类型的buffer不做详细描述，因为与ByteBuffer类似；有其他特殊的buffer，如直接缓冲区等后续章节继续学习讲解；