ByteBuffer源碼分析

在進行數據傳輸的時候，往往需要使用到緩沖區，常用的緩沖區就是JDK NIO類庫中提供的java.nio.Buffer，實現類如下：

在使用NIO編程時，最常用的是其中的ByteBuffer，本篇分析ByteBuffer內部的源碼實現，順序從父類Buffer入手，了解父類中基礎API的實現，再到各個實現子類的實現。

Buffer

Buffer是存放一種特定的、原始的數據的容器。Buffer是一種特定原始類型元素的線性的有限序列集合，其核心的屬性有capacity、limit、Position。

capacity：Buffer的容量，表示可以容納的元素數量

limit：表示第一個不可以被讀取或者寫入的元素的位置

position：表示下一個被讀取或者寫入的位置

三者之間的關系如下：0<=position<=limit<=capacity

Buffer只有一個構造方法：

這個構造方式是protected的，也就是說只有在包內可以調用。構造方法中除了capacity、limit、position外還有一個mark參數，且校驗了mark參數必須小于position。這個參數非常簡單，用于標記position的當前位置，在進行讀取寫入之類的操作之后可以通過API重新將position重置到標記的位置，對應的API為：Buffer#mark()\Buffer#reset()

Buffer中一個比較重要的API是Buffer#flip

這個方法就是將limit設置到position位置，將position調整到0，將mark設置為-1。

為什么需要有這么一個方法調整位置呢？

這個主要和Buffer只有一個position作為游標相關，讀寫都是基于position的，所以在寫操作完成之后需要進行讀操作時，需要將limit設置為position標記有寫到哪兒了，而將position 重新移到0，這樣就可以讀取到所有的寫入數據。假設如果有兩個游標分別表示讀取和寫入的位置，是否就可以不用這個API了呢？

Buffer中的代碼都非常簡單，主要就是自身屬性信息的設置和返回，像返回position、返回limit信息等，展開細看。

ByteBuffer

ByteBuffer是Buffer的一個子類，是字節緩沖區。ByteBuffer在Buffer之上定義了6中操作：

1. 通過當前位置和指定位置的方式讀取和寫入byte

2. 通過get(byte[])的方式將ByteBuffer中的數據讀取到byte[]中

3. 通過put(byte[])的方式將連續大量的byte數據寫入緩沖區

4. 通過當前位置和指定位置的方式將其他類型的數據寫入緩沖區或從緩沖區讀取數據轉換成特定類型

5. 提供將ByteBuffer轉換成其他類型的Buffer視圖的方法，例如ByteBuffer#asCharBuffer

6. 提供compact、duplicate、slice來執行一些對ByteBuffer的操作

ByteBuffer的構造方法如下：

提供了兩個構造方法，相對于Buffer增加了一個byte數組和一個offset。byte數組用于存儲數據，offset表示ByteBuffer背后實際用于存儲的byte數據的其實位置。即你可以使用一個byte數據，從它的任何一個下標開始存儲數據，而不一定是0。

當然，這兩個方法都是protected的，也就是說實際我們“不能”通過這兩個方法去構造我們需要的緩沖區。

那么當我們需要使用緩沖區的時候我們如何去構造一個呢？ByteBuffer提供了兩個API：ByteBuffer#allocateDirect、ByteBuffer#allocate

ByteBuffer#allocateDirect分配一個DirectByteBuffer，即這個緩沖區是使用堆外內存的。

ByteBuffer#allocate在JVM堆上分配一塊內存。

新分配的內存position都是0，limit為容量，初始內部填充的數據都為0。

除了通過allocate去創建ByteBuffer，還有一種方式是通過wrap來包裝一個byte數組，這樣就可以使用ByteBuffer的API來對byte數據進行操作。

因為byte數據本身在堆內，所以wrap的ByteBuffer也就是HeapByteBuffer。

offset和length將被作為ByteBuffer初始的position和limit。

allocate和wrap都是創建了“新”的ByteBuffer，這里新的含義是他們背后都有自己獨立的byte數組用于存儲數據。還有一類API，他們也創建ByteBuffer，但是它只是個視圖，擁有自己的position、limit等屬性，但是存儲的byte數組是共享的：

• ByteBuffer#slice：創建一個的ByteBuffer，內容是當前ByteBuffer的一個子序列，共享一個byte數組；兩個ByteBuffer的position、limit、mark是獨立的；新ByteBuffer的起始位置是原ByteBuffer的position位置

• ByteBuffer#duplicate：“復制”一個ByteBuffer，共享存儲的byte數據，擁有獨立的capacity、limit、position、mark屬性；如果當前ByteBuffer是DirectByteBuffer，那么新Buffer也是DirectByteBuffer，如果當前是HeapByteBuffer，那么新分配的也是HeapByteBuffer

ByteBuffer提供另外一類API來將自己轉換成另一個類型的緩沖區：

• ByteBuffer#asXXXBuffer：比如asLongBuffer創建一個新的LongBuffer，底層的存儲還是共享當前的byte數組，同時擁有自己的position、limit、mark屬性，新Buffer的position為0，limit和capacity為原Buffer除8，因為一個long類型占用8個byte;其他asXXXBuffer方法都類似

ByteBuffer中還有一類API是提供基于當前位置或者指定位置來讀寫數據的：

• byte getByte()

• byte getByte(int index)

• int getInt()

• int getInt(int index)

• ...

這兩種API的差異是沒有參數的API會從當前position開始讀取數據，之后會修改position位置。而通過傳入index，會從index開始讀取數據，不會變更position信息。所以如果只是要讀取數據，并不希望更改Buffer本身的信息（position），應該使用帶有參數的方法。

ByteBuffer的內容只有這么多，接著看它的子類實現，主要是HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。

HeapByteBuffer

HeapByteBuffer顧名思義就是JVM堆上的字節緩沖區，他用于緩存數據的byte數組就是直接在堆內申請的。默認的構造方法直接就是new一個byte數組作為數據存儲的緩沖區。

HeapByteBuffer非常簡單，就是實現了ByteBuffer定義的各種put和get方法，沒有什么好分析的。

DirectByteBuffer

DirectByteBuffer翻譯過來就是直接的字節緩沖區，它是使用直接內存的，即不從JVM的堆上分配內存。

首先看DirectByteBuffer的一個內部類：Deallocator。從類名可以看出這個類應該是做“回收的”。

從代碼看，Deallocator實現了Runnable接口，run方法內的實現就是通過unsafe釋放內存。

結合Cleaner就能明白Cleaner是統一的接口，返回Cleaner來執行清楚操作，而真正的內存回收在Deallocator中執行。

接著看DirectByteBuffer的構造方法：

只有一個容量作為參數，而內存是直接通過unsafe分配的，可見內存是直接分配的，而不是在堆上申請的。另外這是一個受保護的方法，也就是說用戶是不能直接調用的。

另外還有幾個構造方法，可以直接通過內存地址來初始化，或者通過文件描述符來初始化（For memory-mapped buffers），通過已近存在的DirectBuffer來初始化。

這些方法都是提供給MMAP之類的使用的，一般用戶都不會直接調用到。

剩下的方法，像是slice、duplicate，包括通過address返回內存地址都非常簡單就不描述了。

另外DirectByteBuffer內部還有一個特殊的方法是asReadOnlyBuffer方法，返回了一個DirectByteBufferR對象。下面看一下DirectByteBufferR做了些什么。

簡單從方法出發，大概就是返回只讀的一個對象，不能做寫入操作。

實際上也是非常簡單，所有的put操作都拋出了異常。剩下get和slice等也類似，不再贅述。