庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 03 _ 缓冲区分配、包装和分片

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庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 01

庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 02 _ 缓冲区的细节实现

概述

到目前为止，我们已经使用缓冲区进行日常工作所需要掌握的大部分内容。例子没怎么超出标准的读/写过程种类，在原来的 I/O 中可以像在 NIO 中一样容易地实现这样的标准读写过程。

这里我们将讨论使用缓冲区的一些更复杂的方面，比如缓冲区分配、包装和分片。我们还会讨论 NIO 带给 Java 平台的一些新功能。

这里我们可以看到

• 如何创建不同类型的缓冲区以达到不同的目的，
• 如可保护数据不被修改的 只读 缓冲区，和
• 直接映射到底层操作系统缓冲区的 直接 缓冲区。
• 最后介绍如何在 NIO 中创建内存映射文件。

缓冲区分配和包装 （allocate 、 wrap）

在能够读和写之前，必须有一个缓冲区。要创建缓冲区，您必须 分配 它。我们使用静态方法 allocate() 来分配缓冲区：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

allocate() 方法分配一个具有指定大小的底层数组，并将它包装到一个缓冲区对象中 ， 在本例中是一个 ByteBuffer。

还可以将一个现有的数组转换为缓冲区，如下所示：

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

]
本例使用了 wrap() 方法将一个数组包装为缓冲区。必须非常小心地进行这类操作。一旦完成包装，底层数据就可以通过缓冲区或者直接访问。

完整Demo

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class CreateBuffer
{
  static public void main( String args[] ) throws Exception {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

    buffer.put( (byte)'a' );
    buffer.put( (byte)'b' );
    buffer.put( (byte)'c' );

    buffer.flip();

    System.out.println( (char)buffer.get() );
    System.out.println( (char)buffer.get() );
    System.out.println( (char)buffer.get() );
  }
}

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class CreateArrayBuffer
{
  static public void main( String args[] ) throws Exception {
    byte array[] = new byte[1024];

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap( array );

    buffer.put( (byte)'a' );
    buffer.put( (byte)'b' );
    buffer.put( (byte)'c' );

    buffer.flip();

    System.out.println( (char)buffer.get() );
    System.out.println( (char)buffer.get() );
    System.out.println( (char)buffer.get() );
  }
}

缓冲区分片 (slice)

slice() 方法根据现有的缓冲区创建一种 子缓冲区 。也就是说，它创建一个新的缓冲区，新缓冲区与原来的缓冲区的一部分共享数据。

使用例子可以最好地说明这点。让我们首先创建一个长度为 10 的 ByteBuffer：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

然后使用数据来填充这个缓冲区，在第 n 个槽中放入数字 n：

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {
     buffer.put( (byte)i );
}

现在我们对这个缓冲区 分片 ，以创建一个包含槽 3 到槽 6 的子缓冲区。在某种意义上，子缓冲区就像原来的缓冲区中的一个 窗口 。

窗口的起始和结束位置通过设置 position 和 limit 值来指定，然后调用 Buffer 的 slice() 方法：

buffer.position( 3 );
buffer.limit( 7 );
ByteBuffer slice = buffer.slice();

片 是缓冲区的 子缓冲区 。不过， 片段 和 缓冲区 共享同一个底层数据数组 。

缓冲区份片和数据共享

我们已经创建了原缓冲区的子缓冲区，并且我们知道缓冲区和子缓冲区共享同一个底层数据数组。让我们看看这意味着什么。

我们遍历子缓冲区，将每一个元素乘以 11 来改变它。例如，5 会变成 55。

for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {
     byte b = slice.get( i );
     b *= 11;
     slice.put( i, b );
}

最后，再看一下原缓冲区中的内容：

buffer.position( 0 );
buffer.limit( buffer.capacity() );
  
while (buffer.remaining()>0) {
     System.out.println( buffer.get() );
}

结果表明只有在子缓冲区窗口中的元素被改变了：

$ java SliceBuffer
0
1
2
33
44
55
66
7
8
9

缓冲区片对于促进抽象非常有帮助。可以编写自己的函数处理整个缓冲区，而且如果想要将这个过程应用于子缓冲区上，只需取主缓冲区的一个片，并将它传递给你的函数。这比编写自己的函数来取额外的参数以指定要对缓冲区的哪一部分进行操作更容易。

完整Demo

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class SliceBuffer
{
  static public void main( String args[] ) throws Exception {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

    for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {
      buffer.put( (byte)i );
    }

    buffer.position( 3 );
    buffer.limit( 7 );

    ByteBuffer slice = buffer.slice();

    for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {
      byte b = slice.get( i );
      b *= 11;
      slice.put( i, b );
    }

    buffer.position( 0 );
    buffer.limit( buffer.capacity() );

    while (buffer.remaining()>0) {
      System.out.println( buffer.get() );
    }
  }
}

只读缓冲区 （asReadOnlyBuffer）

只读缓冲区非常简单 ― 可以读取它们，但是不能向它们写入。

可以通过调用缓冲区的 asReadOnlyBuffer() 方法，将任何常规缓冲区转换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区(并与其共享数据)，只不过它是只读的。

只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个对象的方法时，无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以 保证 该缓冲区不会被修改。

不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。

直接和间接缓冲区 (allocateDirect)

另一种有用的 ByteBuffer 是直接缓冲区。 直接缓冲区 是为加快 I/O 速度，而以一种特殊的方式分配其内存的缓冲区。

实际上，直接缓冲区的准确定义是与实现相关的。

Oracle 的文档是这样描述直接缓冲区的：

给定一个直接字节缓冲区，Java 虚拟机将尽最大努力直接对它执行本机 I/O 操作。也就是说，它会在每一次调用底层操作系统的本机 I/O 操作之前(或之后)，尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中(或者从一个中间缓冲区中拷贝数据)。

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class FastCopyFile
{
  static public void main( String args[] ) throws Exception {
    if (args.length<2) {
      System.err.println( "Usage: java FastCopyFile infile outfile" );
      System.exit( 1 );
    }

    String infile = args[0];
    String outfile = args[1];

    FileInputStream fin = new FileInputStream( infile );
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream( outfile );

    FileChannel fcin = fin.getChannel();
    FileChannel fcout = fout.getChannel();

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect( 1024 );

    while (true) {
      buffer.clear();

      int r = fcin.read( buffer );

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

      buffer.flip();

      fcout.write( buffer );
    }
  }
}

直接缓冲区的实际应用，这个程序是 CopyFile.java 的另一个版本，它使用了直接缓冲区以提高速度。

还可以用内存映射文件创建直接缓冲区。

内存映射文件 I/O

内存映射文件 I/O 是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的 I/O 快得多。

内存映射文件 I/O 是通过使文件中的数据神奇般地出现为内存数组的内容来完成的。这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中，但是事实上并不是这样。一般来说，只有文件中实际读取或者写入的部分才会送入（或者 映射 ）到内存中。

内存映射并不真的神奇或者多么不寻常。现代操作系统一般根据需要将文件的部分映射为内存的部分，从而实现文件系统。Java 内存映射机制不过是在底层操作系统中可以采用这种机制时，提供了对该机制的访问。

尽管创建内存映射文件相当简单，但是向它写入可能是危险的。仅只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。

将文件映射到内存(map)

了解内存映射的最好方法是使用例子。在下面的例子中，我们要将一个 FileChannel (它的全部或者部分)映射到内存中。为此我们将使用 FileChannel.map() 方法。

下面代码行将文件的前 1024 个字节映射到内存中：

MappedByteBuffer mbb = fc.map( FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024 );

map() 方法返回一个 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer 的子类。因此，可以像使用其他任何 ByteBuffer 一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行行映射。

完整Demo

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class UseMappedFile
{
  static private final int start = 0;
  static private final int size = 1024;

  static public void main( String args[] ) throws Exception {
    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile( "usemappedfile.txt", "rw" );
    FileChannel fc = raf.getChannel();

    MappedByteBuffer mbb = fc.map( FileChannel.MapMode.READ_WRITE,  start, size );

    mbb.put( 0, (byte)97 );
    mbb.put( 1023, (byte)122 );

    raf.close();
  }
}