Java网络编程从入门到精通（33）：非阻塞I/O的缓冲区（Buffer）

如果将同步 I/O 方式下的数据传输比做数据传输的零星方式（这里的零星是指在数据传输的过程中是以零星的字节方式进行的），那么就可以将非阻塞 I/O 方 式下的数据传输比做数据传输的集装箱方式（在字节和低层数据传输之间，多了一层缓冲区，因此，可以将缓冲区看做是装载字节的集装箱）。大家可以想象，如果 我们要运送比较少的货物，用集装箱好象有点不太合算，而如果要运送上百吨的货物，用集装箱来运送的成本会更低。在数据传输过程中也是一样，如果数据量很小 时，使用同步 I/O 方式会更适合，如果数据量很大时（一般以 G 为单位），使用非阻塞 I/O 方式的效率会更高。因此，从理论上说，数据量越大，使用非阻塞 I/O 方式的单位成本就会越低。产生这种结果的原因和缓冲区的一些特性有着直接的关系。在本节中，将对缓冲区的一些主要特性进行讲解，使读者可以充分理解缓冲区的概念，并能通过缓冲区来提高程序的执行效率。

创建缓冲区

Java 提供了七个基本的缓冲区，分别由七个类来管理，它们都可以在 java.nio 包中找到。这七个类如下所示：

•   ByteBuffer   
• ShortBuffer
• IntBuffer
• CharBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• LongBuffer

st1":*{behavior:url(#ieooui) }

这七个类中的方法类似，只是它们的返回值或参数和相应的简单类型相对应，如 ByteBuffer 类的 get 方法返回了 byte 类型的数据，而 put 方法需要一个 byte 类型的参数。在 CharBuffer 类中的 get 和 put 方法返回和传递的数据类型就是 char 。这七个类都没有 public 构造方法，因此，它们不能通过 new 来创建相应的对象实例。这些类都可以通过两种方式来创建相应的对象实例。

1.        通过静态方法 allocate 来创建缓冲区。

这七类都有一个静态的 allocate 方法，通过这个方法可以创建有最大容量限制的缓冲区对象。 allocate 的定义如下：

ByteBuffer 类中的 allocate 方法：

public   static  ByteBuffer allocate( int  capacity)

IntBuffer 类中的 allocate 方法：

public   static  IntBuffer allocate( int  capacity)

其他五个缓冲区类中的 allocate 方法定义和上面的定义类似，只是返回值的类型是相应的缓冲区类。

allocate 方法有一个参数 capacity ，用来指定缓冲区容量的最大值。 capacity 的不能小于 0 ，否则会抛出一个 IllegalArgumentException 异常。使用 allocate 来创建缓冲区，并不是一下子就分配给缓冲区 capacity 大小的空间，而是根据缓冲区中存储数据的情况来动态分配缓冲区的大小（实际上，在低层 Java 采用了数据结构中的堆来管理缓冲区的大小），因此，这个 capacity 可以是一个很大的值，如 1024*1024 （ 1M ）。 allocate 的使用方法如下：

ByteBuffer byteBuffer  =  ByteBuffer.allocate( 1024 );
IntBuffer intBuffer  =  IntBuffer.allocate( 1024 );

    在使用 allocate 创建缓冲区时应用注意， capacity 的含义随着缓冲区的不同而不同。如创建字节缓冲区时， capacity 指的是字节数。而在创建整型 (int) 缓冲区时， capacity 指的是 int 型值的数目，如果转换成字数， capacity 的值应该乘 4 。如上面代码中的 intBuffer 缓冲区最大可容纳的字节数是 1024*4 = 4096 个。

2.        通过静态方法 wrap 来创建缓冲区。

使用 allocate 方法可以创建一个空的缓冲区。而 wrap 方法可以利用已经存在的数据来创建缓冲区。 wrap 方法可以将数组直接转换成相应类型的缓冲区。 wrap 方法有两种重载形式，它们的定义如下：

ByteBuffer 类中的 wrap 方法：

public   static  ByteBuffer wrap( byte [] array)
public   static  ByteBuffer wrap( byte [] array,  int  offset,  int  length)

IntBuffer 类中的 wrap 方法：

public   static  IntBuffer wrap( byte [] array)
public   static  IntBuffer wrap( byte [] array,  int  offset,  int  length)

其他五个缓冲区类中的 wrap 方法定义和上面的定义类似，只是返回值的类型是相应的缓冲区类。

在 wrap 方法中的 array 参数是要转换的数组（如果是其他的缓冲区类，数组的类型就是相应的简单类型，如 IntBuffer 类中的 wrap 方法的 array 就是 int[] 类型）。 offset 是要转换的子数组的偏移量，也就是子数组在 array 中的开始索引。 length 是要转换的子数组的长度。利用后两个参数可以将 array 数组中的一部分转换成缓冲区对象。它们的使用方法如下：

byte [] myByte  =   new   byte [] {  1 ,  2 ,  3  };
int [] myInt  =   new   int [] {  1 ,  2 ,  3 ,  4  };
ByteBuffer byteBuffer  =  ByteBuffer.wrap(myByte);
IntBuffer intBuffer  =  IntBuffer.wrap(myInt,  1 ,  2 );

可以通过缓冲区类的 capacity 方法来得到缓冲区的大小。 capacity 方法的定义如下：

public   final   int  capacity()

如果使用 allocate 方法来创建缓冲区， capacity 方法的返回值就是 capacity 参数的值。而使用 wrap 方法来创建缓冲区， capacity 方法的返回值是 array 数组的长度，但要注意，使用 wrap 来转换 array 的字数组时， capacity 的长度仍然是原数组的长度，如上面代码中的 intBuffer 缓冲区的 capacity 值是 4 ，而不是 2 。

除了可以将数组转换成缓冲区外，也可以通过缓冲区类的 array 方法将缓冲区转换成相应类型的数组。 IntBuffer 类的 array 方法的定义方法如下（其他缓冲区类的 array 的定义类似）：

public   final   int [] array()

    下面的代码演示了如何使用 array 方法将缓冲区转换成相应类型的数组。

int [] myInt  =   new   int [] {  1 ,  2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6  };
IntBuffer intBuffer  =  IntBuffer.wrap(myInt,  1 ,  3 );
for  ( int  v : intBuffer.array())
    System.out.print(v  +   "   " );

在执行上面代码后，我们发现输出的结果是 1 2 3 4 5 6 ，而不是 2 3 4 。这说明在将子数组转换成缓冲区的过程中实际上是将整个数组转换成了缓冲区，这就是用 wrap 包装子数组后， capacity 的值仍然是原数组长度的真正原因。在使用 array 方法时应注意，在以下两种缓冲区中不能使用 array 方法：

• 只读的缓冲区

如果使用只读缓冲区的 array 方法，将会抛出一个 ReadOnlyBufferException 异常。

• 使用 allocateDirect方法创建的缓冲区 。

如果调用这种缓冲区中的 array 方法，将会抛出一个 UnsupportedOperationException 异常。

可以通过缓冲区类的 hasArray 方法来判断这个缓冲区是否可以使用 array 方法，如果返回 true ，则说明这个缓冲区可以使用 array 方法，否则，使用 array 方法将会抛出上述的两种异常之一。

注意： 使用array方法返回的数组并不是缓冲区数据的副本。被返回的数组实际上就是缓冲区中的数据，也就是说，array方法只返回了缓冲区数据的引用。当数 组中的数据被修改后，缓冲区中的数据也会被修改，返之也是如此。关于这方面内容将在下一节“读写缓冲区中的数据”中详细讲解。

在上述的七个缓冲区类中， ByteBuffer 类和 CharBuffer 类各自还有另外一种方法来创建缓冲区对象。

l         ByteBuffer 类

可以通过 ByteBuffer 类的 allocateDirect 方法来创建 ByteBuffer 对象。 allocateDirect 方法的定义如下：

public   static  ByteBuffer allocateDirect( int  capacity)

使用 allocateDirect 方法可以一次性分配 capacity 大小的连续字节空间。通过 allocateDirect 方法来创建具有连续空间的 ByteBuffer 对象虽然可以在一定程度上提高效率，但这种方式并不是平台独立的。也就是说，在一些操作系统平台上使用 allocateDirect 方法来创建 ByteBuffer 对象会使效率大幅度提高，而在另一些操作系统平台上，性能会表现得非常差。而且 allocateDirect 方法需要较长的时间来分配内存空间，在释放空间时也较慢。因此，在使用 allocateDirect 方法时应谨慎。

通过 isDirect 方法可以判断缓冲区对象（其他的缓冲区类也有 isDirect 方法，因为， ByteBuffer 对象可以转换成其他的缓冲区对象，这部分内容将在后面讲解）是用哪种方式创建的，如果 isDirect 方法返回 true ，则这个缓冲区对象是用 allocateDirect 方法创建的，否则，就是用其他方法创建的缓冲区对象。

l         CharBuffer 类

我们可以发现，上述的七种缓冲区中并没有字符串缓冲区，而字符串在程序中却是最常用的一种数据类型。不过不要担心，虽然 java.nio 包中并未提供字符串缓冲区，但却可以将字符串转换成字符缓冲区（就是 CharBuffer 对象）。在 CharBuffer 类中的 wrap 方法除了上述的两种重载形式外，又多了两种重载形式，它们的定义如下：

public   static  CharBuffer wrap(CharSequence csq)
public   static  CharBuffer wrap(CharSequence csq,  int  start,  int  end)

其中 csq 参数表示要转换的字符串，但我们注意到 csq 的类型并不是 String ，而是 CharSequence 。 CharSequence 类 Java 中四个可以表示字符串的类的父类，这四个类是 String 、 StringBuffer 、 StringBuilder 和 CharBuffer （大家要注意， StringBuffer 和本节讲的缓冲区类一点关系都没有，这个类在 java.lang 包中）。也就是说， CharBuffer 类的 wrap 方法可以将这四个类的对象转换成 CharBuffer 对象。

另外两个参数 start 和 end 分别是子字符串的开始索引和结束索引的下一个位置，如将字符串 "1234" 中的 "23" 转换成 CharBuffer 对象的语句如下：

CharBuffer cb  =  CharBuffer.wrap( " 1234 " ,  1 ,  3 );

    下面的代码演示了如何使用 wrap 方法将不同形式的字符串转换成 CharBuffer 对象。

StringBuffer stringBuffer  =   new  StringBuffer( " 通过StringBuffer创建CharBuffer对象 " );
StringBuilder stringBuilder  =   new  StringBuilder( " 通过StringBuilder创建CharBuffer对象 " );
CharBuffer charBuffer1  =  CharBuffer.wrap( " 通过String创建CharBuffer对象 " );
CharBuffer charBuffer2  =  CharBuffer.wrap(stringBuffer);
CharBuffer charBuffer3  =  CharBuffer.wrap(stringBuilder);
CharBuffer charBuffer4  =  CharBuffer.wrap(charBuffer1,  1 ,  3 );

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