Java的NIO之ByteBuffer底层分析

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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：

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。

    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

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；

    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

    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

   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

 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

    public final byte[] array() {
        if (hb == null)
	    throw new UnsupportedOperationException();
         if (isReadOnly)
            throw new ReadOnlyBufferException();
         return hb;
    }

5.flip-位置重置

    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

   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

    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

    public final Buffer mark() {
        mark = position;
        return this;
    }

9.重置到标记

    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

    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;
         }
     }

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

 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。