相关文章
IO、NIO、AIO 内部原理分析
NIO 之 Selector实现原理
NIO 之 Channel实现原理
前言
Java NIO 主要由下面3部分组成：
- Buffer
- Channel
- Selector
在传统IO中，流是基于字节的方式进行读写的。
在NIO中，使用通道（Channel）基于缓冲区数据块的读写。
流是基于字节一个一个的读取和写入。
通道是基于块的方式进行读取和写入。
Buffer 类结构图
Buffer 的类结构图如下：
从图中发现java中8中基本的类型，除了boolean外，其它的都有特定的Buffer子类。
Buffer类分析
Filed
每个缓冲区都有这4个属性，无论缓冲区是何种类型都有相同的方法来设置这些值
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;
1. 标记（mark）
初始值-1，表示未标记。
标记一个位置，方便以后reset重新从该位置读取数据。
public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}
public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}
2. 位置（position）
缓冲区中读取或写入的下一个位置。这个位置从0开始，最大值等于缓冲区的大小
//获取缓冲区的位置
public final int position() {
return position;
}
//设置缓冲区的位置
public final Buffer position(int newPosition) {
if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
throw new IllegalArgumentException();
position = newPosition;
if (mark > position) mark = -1;
return this;
}
3. 限度（limit）
//获取limit位置
public final int limit() {
return limit;
}
//设置limit位置
public final Buffer limit(int newLimit) {
if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
throw new IllegalArgumentException();
limit = newLimit;
if (position > limit) position = limit;
if (mark > limit) mark = -1;
return this;
}
4. 容量（capacity）
缓冲区可以保存元素的最大数量。该值在创建缓存区时指定，一旦创建完成后就不能修改该值。
//获取缓冲区的容量
public final int capacity() {
return capacity;
}
filp 方法
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
- 将limit设置成当前position的坐标
- 将position设置为0
- 取消标记
rewind 方法
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
从源码中发现，rewind修改了position和mark,而没有修改limit。
- 将position设置为0
- 取消mark标记
clear 方法
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
- 将position坐标设置为0
- limit设置为capacity
- 取消标记
从clear方法中，我们发现Buffer中的数据没有清空，如果通过Buffer.get(i)的方式还是可以访问到数据的。如果再次向缓冲区中写入数据，他会覆盖之前存在的数据。
remaining 方法
查看当前位置和limit之间的元素数。
public final int remaining() {
return limit - position;
}
hasRemaining 方法
判断当前位置和limit之间是否还有元素
public final boolean hasRemaining() {
return position < limit;
}
ByteBuffer 类分析
从图中我们可以发现 ByteBuffer继承于Buffer类，ByteBuffer是个抽象类，它有两个实现的子类HeapByteBuffer和MappedByteBuffer类
HeapByteBuffer：在堆中创建的缓冲区。就是在jvm中创建的缓冲区。
MappedByteBuffer：直接缓冲区。物理内存中创建缓冲区，而不在堆中创建。
allocate 方法（创建堆缓冲区）
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
我们发现allocate方法创建的缓冲区是创建的HeapByteBuffer实例。
HeapByteBuffer 构造
HeapByteBuffer(int cap, int lim) { // package-private
super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}
从堆缓冲区中看出，所谓堆缓冲区就是在堆内存中创建一个byte[]数组。
allocateDirect创建直接缓冲区
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
我们发现allocate方法创建的缓冲区是创建的DirectByteBuffer实例。
DirectByteBuffer构造
直接缓冲区是通过java中Unsafe类进行在物理内存中创建缓冲区。
wrap 方法
public static ByteBuffer wrap(byte[] array)
public static ByteBuffer wrap(byte[] array, int offset, int length);
可以通过wrap类把字节数组包装成缓冲区ByteBuffer实例。
这里需要注意的的，把array的引用赋值给ByteBuffer对象中字节数组。如果array数组中的值更改，则ByteBuffer中的数据也会更改的。
get 方法
- public byte get()
获取position坐标元素，并将position+1； - public byte get(int i)
获取指定索引下标的元素 - public ByteBuffer get(byte[] dst)
从当前position中读取元素填充到dst数组中，每填充一个元素position+1; - public ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length)
从当前position中读取元素到dst数组的offset下标开始填充length个元素。
put 方法
- public ByteBuffer put(byte x)
写入一个元素并position+1 - public ByteBuffer put(int i, byte x)
指定的索引写入一个元素 - public final ByteBuffer put(byte[] src)
写入一个自己数组，并position+数组长度 - public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length)
从一个自己数组的offset开始length个元素写入到ByteBuffer中，并把position+length - public ByteBuffer put(ByteBuffer src)
写入一个ByteBuffer，并position加入写入的元素个数
视图缓冲区
ByteBuffer可以转换成其它类型的Buffer。例如CharBuffer、IntBuffer 等。
压缩缓冲区
public ByteBuffer compact() {
System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
position(remaining());
limit(capacity());
discardMark();
return this;
}
1、把缓冲区positoin到limit中的元素向前移动positoin位
2、设置position为remaining()
3、 limit为缓冲区容量
4、取消标记
例如：ByteBuffer.allowcate(10);
内容：[0 ,1 ,2 ,3 4, 5, 6, 7, 8, 9]
compact前
[0 ,1 ,2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
pos=4
lim=10
cap=10
compact后
[4, 5, 6, 7, 8, 9, 6, 7, 8, 9]
pos=6
lim=10
cap=10
slice方法
public ByteBuffer slice() {
return new HeapByteBuffer(hb,
-1,
0,
this.remaining(),
this.remaining(),
this.position() + offset);
}
创建一个分片缓冲区。分配缓冲区与主缓冲区共享数据。
分配的起始位置是主缓冲区的position位置
容量为limit-position。
分片缓冲区无法看到主缓冲区positoin之前的元素。
直接缓冲区和堆缓冲区性能对比
下面我们从缓冲区创建的性能和读取性能两个方面进行性能对比。
读写性能对比
public static void directReadWrite() throws Exception {
int time = 10000000;
long start = System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4*time);
for(int i=0;i<time;i++){
buffer.putInt(i);
}
buffer.flip();
for(int i=0;i<time;i++){
buffer.getInt();
}
System.out.println("堆缓冲区读写耗时 ："+(System.currentTimeMillis()-start));
start = System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocateDirect(4*time);
for(int i=0;i<time;i++){
buffer2.putInt(i);
}
buffer2.flip();
for(int i=0;i<time;i++){
buffer2.getInt();
}
System.out.println("直接缓冲区读写耗时："+(System.currentTimeMillis()-start));
}
输出结果：
堆缓冲区创建耗时 ：70
直接缓冲区创建耗时：47
从结果中我们发现堆缓冲区读写比直接缓冲区读写耗时更长。
public static void directAllocate() throws Exception {
int time = 10000000;
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < time; i++) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
}
System.out.println("堆缓冲区创建时间："+(System.currentTimeMillis()-start));
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < time; i++) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4);
}
System.out.println("直接缓冲区创建时间："+(System.currentTimeMillis()-start));
}
输出结果：
堆缓冲区创建时间：73
直接缓冲区创建时间：5146
从结果中发现直接缓冲区创建分配空间比较耗时。
对比结论
直接缓冲区比较适合读写操作，最好能重复使用直接缓冲区并多次读写的操作。
堆缓冲区比较适合创建新的缓冲区，并且重复读写不会太多的应用。
建议：如果经过性能测试，发现直接缓冲区确实比堆缓冲区效率高才使用直接缓冲区，否则不建议使用直接缓冲区。
想了解更多精彩内容请关注我的公众号
