Java NIO 入门（四）Buffer内部原理

Java NIO 入门（四）Buffer内部原理
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概述
在这节中，我们将关注NIO的Buffer中两个重要的组件：状态变量和访问方法。
状态变量对于前面提到的“内部计数系统”而言相当重要，每次进行完读写之后，Buffer的状态都随之改变。通过记录和跟踪这些改变，Buffer才可以把Buffer内部的资源管理好。

当你从Channel中读数据时，数据首先放到了Buffer中。在某些情况下，你可以直接把这个Buffer写入另一个Channel中，但是通常情况下，你可能想看看数据内容，这个想法可以通过方法get()实现。相似的，当你想要把原始数据放进Buffer中，你可以使用put()方法。

在这节中，我们将学习NIO中的状态变量和访问方法。每个组件都会涉及到，并且有机会查看具体的使用。然而NIO的内部计数系统起初看起来可能有些复杂，你很快会看到内部计数系统实际上为你做了哪些事情。

状态变量
总共有三个值可以被用来表示在给定的任何时刻Buffer的状态，他们分别是：

• position
• limit
• capacity

这三个变量跟踪了Buffer的状态和Buffer所包含的数据。
接下来我们将逐一检查每个细节，并且也看看为什么这样的设计适合典型的读/写（输入/输出）处理。比如仅仅这个例子，我们假设从一个Channel拷贝数据到另一个Channel。

Position
回忆一下，Buffer实际上也就是个array。当你从Channel中读数据时，你把从Channel中读出来的数据放进底层array，position变量用来跟踪截止目前为止已经写了多少数据。更精确的讲，它指示如果下次写Buffer时数据应该进入array的哪个位置。因此如果已经从Channel中读出了3个字节，Buffer的position会被置为3，指向array中第四个位置。
相似的，如果正在向Channel中写入数据，你需要从Buffer中获取要写的数据，此时position持续的跟踪你已经从Buffer中读取了多少数据。更精确的说，position指示了下一次从Buffer中读取数据时将读入array的哪个元素。因此如果你已经向Channel中写了5个byte，Buffer的position被置为5，指向array中第六个元素。

Limit
在从Buffer中向Channel中写数据时，limit变量指示了还剩多少数据可以读取，在从Channel中读取数据到Buffer中时，limit变量指示了还剩多少空间可供存放数据。
position正常情况下小于或者等于limit。

Capacity
Buffer的Capacity指示Buffer最多能够存储的数据。实际上，它指示了底层array的容量，或者至少是底层array允许使用的空间数量。
Limit永远不会大于capacity。

以实例来观察这三个变量
我们从一个新建的Buffer开始。由于是例子的缘故，我们假设Buffer有一个8字节大小的Capacity。此时Buffer的状态如下所示：


回忆之前所讲的，limit不会大于capacity，在这个例子中，limit和capacity都会被设为8。我们通过在array尾部用箭头指示的方式表示。


此时position设置为0。如果我们从Channel读了一些数据进入Buffer，下一个字节将会被存入位置为0的地方。如果我们从Buffer中写数据进入Channel，Buffer中下一个被读的字节将从位置0取得。position的设置如下图所示：



因为capacity一旦设置好就不会改变了，之后的讨论我们将暂时忽略capacity。

第一次读操作
现在我们准备好了在我们新建的Buffer上开始读/写操作了。我们开始从Channel中读一些数据进入Buffer，第一次读3个字节。读之前position为0，读完后position从0增长到3，如下所示：


第二次读操作
第二次读操作，我们将再读2个字节从Channel到Buffer中，这两个字节存储的位置从之前的position即3开始，读完后position增加了2变为5。如下图：



Flip操作
到目前位置，我们结束了从Channel中读的操作，现在开始将数据写入输出Channel中。在做写操作之前，我们必须调用一次flip()方法，这个方法做了两件重要的事情：
1. 将limit设置到当前的position处。
2. 设置position为0。
上幅图展示了在执行flip之前的Buffer，下面这幅图展示了执行了flip() 之后的Buffer：



现在我们已经准备好了把数据从Buffer中写到Channel中。Position已经设置为0，意思是说我们将获得的下一个字节为位置为0的字节，limit已经设置到了之前的position处，意思是此时Buffer中包含有之前读入Buffer中的所有字节。

第一次写操作
在我们第一次的写操作中，我们从Buffer中取出4个字节，然后写入output channel中。这个操作使得position从0增加到4，而limit没有变化，如下所示：



第二次写操作
目前为止，只剩一个字节可写了。当我们调用flip()时，limit被设置成5，并且position不能超越limit。因此最后的写操作从Buffer取出一个字节并写入output Channel中。这次写操作会将position增加到5，而limit不变。如下所示：



Clear操作
在我们的最后一步是调用Clear方法。这个方法会重置Buffer以准备接收新数据。Clear做了2件重要的事情：
1. 设置limit为0以匹配capacity。
2. 设置position为0。
下面的图展示了当调用完flip()之后的Buffer的状态：



一个能工作的Buffer
下面的代码总结了使用Buffer从一个Channel拷贝数据到另一个Channel

while(trie) {
  buffer.clear();
  int r = fcin.read( buffer );

  if (r==-1) {
    break;
  }

  buffer.flip();
  fcout.write( buffer );
}

read()和write()方法极大的简化了程序，由于Buffer处理了所有的细节。clear()和flip()方法用来切换Buffer的读和写。

本文参考自http://www.cs.brown.edu/courses/cs161/papers/j-nio-ltr.pdf