Java Buffer
在Java NIO（New Input/Output）API中，Buffer是一个核心概念，它是数据的临时存储区域。与传统的Java I/O不同，NIO提供了基于缓冲区的数据处理方式，使得数据操作更加高效灵活。
什么是Buffer？
Buffer本质上是一个内存块，可以写入数据，之后再读取。在NIO中，所有数据的读写都是通过Buffer来完成的。
Buffer的基本属性
Java Buffer有几个重要的属性需要理解：
- 容量(capacity): Buffer能够容纳的数据元素的最大数量
- 限制(limit): 第一个不能被读或写的元素的索引
- 位置(position): 下一个要被读或写的元素的索引
- 标记(mark): 一个备忘位置，可以调用mark()设置mark为当前position，之后调用reset()可将position设为mark
这些属性总是满足以下关系：
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
Buffer的类型
Java NIO提供了多种Buffer类型，每种对应一种基本数据类型：
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
所有这些类都是抽象类Buffer的子类。
备注
最常用的是ByteBuffer，特别是在文件I/O和网络操作中。
创建Buffer
创建Buffer的方法有几种：
java
// 方法1：分配一个容量为1024的ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 方法2：包装一个已有的数组
byte[] array = new byte[1024];
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(array);
// 方法3：创建一个直接缓冲区（内存分配在JVM堆外）
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
Buffer的基本操作
写入数据到Buffer
java
// 从Channel读取数据到Buffer
int bytesRead = channel.read(buffer);
// 或者通过put方法写入数据
buffer.put((byte) 127);
buffer.put(byteArray);
从Buffer读取数据
在读取数据之前，需要调用flip()方法，将Buffer从写模式切换到读模式：
java
buffer.flip(); // 准备读取数据
// 读取一个字节
byte b = buffer.get();
// 或者读取多个字节到数组
byte[] dst = new byte[10];
buffer.get(dst);
// 读取完毕后，可以调用clear()方法重置buffer
buffer.clear();
// 或者调用compact()方法，保留未读取的数据并压缩
buffer.compact();
Buffer的关键方法详解
让我们更详细地了解Buffer类中的一些关键方法：
flip()
当向buffer写入数据后，需要从buffer读取数据时，要调用这个方法。它会做以下事情：
- 将limit设置为当前position
- 将position设置为0
- 丢弃mark标记
java
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
clear()
调用这个方法会清空整个缓冲区，实际上并不会擦除数据，而是通过重置位置信息使得数据可以被覆盖。
- 将position设置为0
- 将limit设置为capacity
- 丢弃mark标记
java
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
rewind()
将position重置为0，这样可以重新读取buffer中的所有数据。
java
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
compact()
压缩缓冲区，将未读取的数据移到缓冲区的开始位置。
java
public ByteBuffer compact() {
// 实现会因具体Buffer类型而略有不同
System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
position(remaining());
limit(capacity());
mark = -1;
return this;
}
Buffer的工作流程示例
下面通过一个完整的示例来演示Buffer的工作流程：
java
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class BufferDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 创建源文件和目标文件的通道
FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
FileChannel inChannel = fis.getChannel();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt");
FileChannel outChannel = fos.getChannel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (true) {
// 清空buffer
buffer.clear();
// 从源通道读取数据到buffer
int r = inChannel.read(buffer);
// 读取完毕，退出循环
if (r == -1) {
break;
}
// 切换buffer到读模式
buffer.flip();
// 从buffer写入数据到目标通道
outChannel.write(buffer);
}
// 关闭通道和流
inChannel.close();
outChannel.close();
fis.close();
fos.close();
System.out.println("文件复制完成");
}
}
输出：
文件复制完成
Buffer状态变化图解
以下是Buffer在各种操作下状态的变化：
直接缓冲区与非直接缓冲区
在NIO中，有两种类型的ByteBuffer：直接缓冲区(Direct Buffer)和非直接缓冲区(Non-direct Buffer)。
直接缓冲区
直接缓冲区是在操作系统的内存中分配的，不在JVM堆上。
优点：
- 可以显著提高I/O性能，特别是读写频繁的场合
- 减少了一次从JVM堆到操作系统内存的复制过程
缺点：
- 分配和释放直接缓冲区的成本更高
- 使用不当可能导致内存泄漏
java
// 创建直接缓冲区
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
非直接缓冲区
非直接缓冲区是在JVM堆内存中分配的。
优点：
- 创建和回收成本低
- 使用熟悉的Java对象方式管理
缺点：
- I/O操作需要额外的复制步骤
java
// 创建非直接缓冲区
ByteBuffer heapBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
警告
对于临时缓冲区，推荐使用非直接缓冲区；对于长期使用的较大缓冲区，可以考虑使用直接缓冲区。
实际应用案例：文件内容搜索
以下是一个使用Buffer搜索文件内容的实际应用案例：
java
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class FileSearch {
public static void main(String[] args) {
try {
// 要搜索的关键词
String keyword = "Java";
// 打开文件
FileInputStream fis = new FileInputStream("sample.txt");
FileChannel channel = fis.getChannel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 统计变量
int count = 0;
StringBuilder currentLine = new StringBuilder();
// 读取文件内容
while (channel.read(buffer) != -1) {
buffer.flip();
// 将缓冲区内容转换为字符串
String content = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
// 处理内容，可能包含多行
String[] lines = content.split("\\n", -1);
for (int i = 0; i < lines.length; i++) {
// 处理当前行
currentLine.append(lines[i]);
// 如果不是最后一个分段或是文件结尾，说明一行结束了
if (i < lines.length - 1 || content.endsWith("\n")) {
// 检查当前行是否包含关键词
String line = currentLine.toString();
if (line.contains(keyword)) {
count++;
System.out.println("找到关键词: " + line.trim());
}
// 重置当前行
currentLine = new StringBuilder();
}
}
buffer.clear();
}
System.out.println("关键词 '" + keyword + "' 在文件中出现了 " + count + " 次");
// 关闭资源
channel.close();
fis.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
假设sample.txt文件内容如下：
这是一个测试文件
包含Java关键词
这行不包含关键词
这行又包含了Java关键词
输出结果：
找到关键词: 包含Java关键词
找到关键词: 这行又包含了Java关键词
关键词 'Java' 在文件中出现了 2 次
总结
Java NIO中的Buffer是一个强大的概念，它允许我们以缓冲区为中心进行I/O操作，相比传统的面向流的I/O方式更加灵活高效。
关键要点回顾：
- Buffer是一个内存区域，可以写入数据，之后再读取数据
- Buffer有几个重要的属性：capacity, limit, position和mark
- 常用的Buffer操作包括flip(), clear(), rewind()和compact()
- Java提供了多种类型的Buffer，最常用的是ByteBuffer
- 直接缓冲区和非直接缓冲区各有优缺点，应根据应用场景选择
练习题
- 创建一个程序，使用ByteBuffer读取一个文件，并计算文件中各字符的出现频率。
- 实现一个简单的文件复制程序，使用不同大小的Buffer，比较性能差异。
- 编写一个程序，使用MappedByteBuffer读取一个大文件的指定部分内容。
进一步学习资源
- Java NIO官方文档
- Java NIO Buffer类API
- Ron Hitchens的《Java NIO》书籍
通过掌握Buffer的概念和用法，你将能够更有效地进行Java I/O操作，为开发高性能应用程序打下基础。