使用NIO提升性能

水深无声 2022-05-11 04:46 211阅读 0赞

## Buffer简介 ##

在JDK1.4之前，我们进行文件/流的读写都是通过java.io包的相关类来进行操作，虽然操作简便，但是性能较差。在JDK1.4引入了java.nio包，提供了相关的通道（Channel）和缓冲（Buffer）来操作，极大的提升了读写性能。

通道是双向的，既可用于读也可用于写数据。它从缓冲读取或写入数据到缓冲区。

基本每个java的基本类型都有一个对应的Buffer，比如byte的ByteBuffer；int的IntBuffer等等，但ByteBuffer是最常用的，是大多数标准I/O操作的接口。

Buffer有3个重要的参数：位置(position)、容量(capacity)、上限(limit)。

*  位置(position)  
    a.在写模式下，标识当前缓冲区的位置，将从position的下个位置开始写数据；  
    b.在读模式下，标识当前缓冲区读取的位置，将从此位置之后读取数据。
 *  容量(capacity)  
    缓冲区的容量上限
 *  上限(limit)  
    a.在写模式下，标识缓冲区的实际上限，它小于或等于容量(capacity)。通常情况下和容量(capacity)相等。  
    b.在读模式下，代表可以读取的总容量，和上次写入的数据量相等。

## Buffer的创建 ##

Buffer的创建有2种方式：  
1.从堆中创建

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

2.从已有的数组创建

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

## 重置和清空缓冲区 ##

*  rewind()  
    position置为0，mark清除，limit无修改。  
    作用：为读取Buffer中有效数据做准备。
 *  clear()  
    position置为0，mark清除，limit设置为capacity。  
    作用：为重新写入Buffer做准备。
 *  flip()  
    position置为0，mark清除，limit设置为position。  
    作用：读写切换时使用

## 读写缓冲区 ##

常用的操作有：

*  public byte get()  
    返回当前position上的数据，并将position向下移动一位。
 *  public ByteBuffer get(byte\[\] dst)  
    从缓冲区读取数据到dst数组，并恰当的移动position到合适的位置。
 *  public byte get(int index)  
    读取指定Index上的数据，不会改变position的位置。
 *  public ByteBuffer put(byte b)  
    在当前位置写入给定的数据，并将position向后移动一位。
 *  public ByteBuffer put(int index,byte b)  
    将数据写入缓冲区的index位置。position没有改变。
 *  public ByteBuffer put(byte\[\] src)  
    将给定的数组写入当前Buffer。并恰当的移动position到合适的位置。

ByteBuffer提供了非常多的方法，这里只是列举了几个常用的方法。

## 标志缓冲区 ##

标志(mark)有点像书签，在需要标记的地方mark一下，后续任何时候都可以回到mark的地方。

Buffer提供了了下面2个方法：

*  mark()  
    用于记录当前的位置。

public final Buffer mark() { mark = position; return this; }

*  reset()  
    用于恢复到mark的位置，即将position设置为mark。

public final Buffer reset() { int m = mark; if (m < 0) throw new InvalidMarkException(); position = m; return this; }

示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); for (int i=0;i<10;i++) { buffer.put((byte)i); } buffer.flip(); // 重置position,为读取数据做准备 for (int i=0;i<buffer.limit();i++) { System.out.print(buffer.get()); if (i == 4) { // 在第5个字节的位置做标记 buffer.mark(); System.out.print("(mark at " + i + ")"); } } buffer.reset(); // 回到标记的地方 System.out.println(); System.out.println("reset to mark."); for (int i=buffer.position();i<buffer.limit();i++) { System.out.print(buffer.get()); }

输出结果：

01234(mark at 4)56789 reset to mark. 56789

上面的代码中，我们先向下缓冲区写入了10个数字（0到9）。然后循环从缓冲区读取并输出，并在第5个位置做了标记。最后重新回到标记的地方，获取缓冲区剩余的数据输出。

## 复制缓冲区 ##

复制缓冲区是以原缓冲区为基础，生成一个新的缓冲区。新生成的缓冲区与原缓冲区共享内存，对任意一方的数据改动都是相互可见的，但是2者又各自维护自己的position、limit、mark。这大大增加了程序的灵活性，为同时处理数据提供了可能。

复制缓冲区的方法如下：

public ByteBuffer duplicate();

示例代码：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); for (int i=0;i<10;i++) { buffer.put((byte)i); } ByteBuffer buf = buffer.duplicate(); System.out.println("After buffer.duplicate"); System.out.println(buffer); System.out.println(buf); buf.flip(); System.out.println("After buf.flip()"); System.out.println(buffer); System.out.println(buf); buf.put((byte)100); System.out.println("After buf.put((byte)100)"); System.out.println(buffer); System.out.println(buf); System.out.println("buffer.get(0)=" + buffer.get(0)); System.out.println("buf.get(0)=" + buf.get(0));

输出如下：

After buffer.duplicate
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=10 lim=1024 cap=1024]
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=10 lim=1024 cap=1024]
    After buf.flip()
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=10 lim=1024 cap=1024]
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=10 cap=1024]
    After buf.put((byte)100)
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=10 lim=1024 cap=1024]
    java.nio.HeapByteBuffer[pos=1 lim=10 cap=1024]
    buffer.get(0)=100
    buf.get(0)=100

最开始创建了一个有1024个字节的缓冲区buffer，然后写入了10个数。随后通过duplicate()方法复制了一个缓冲区buf。  
可以看到复制后的缓冲区的pos,limit,cap都与原缓冲区一致。  
然后使用buf.flip()重置新的缓冲区buf  
然后写入了一个数字100，这时2个缓冲区的position和limit都不一样。说明原缓冲区和复制的缓冲区维护了各自的position和limit。  
最后打印原来的缓冲区和新的缓冲区的第1个位置的数据，都是100.说明原缓冲区和复制的缓冲区共享内存。

## 缓冲区分片 ##

利用缓冲区分片，可以将一个大的缓冲区分割成若干个子缓冲区，子缓冲区和父缓冲区共享数据。当需要处理一个缓冲区的一个分片时，使用slice()方法得到一个子缓冲区，然后可以像处理普通缓冲区的方法一样处理子缓冲区。  
示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); for (int i=0;i<10;i++) { buffer.put((byte)i); } buffer.position(2); buffer.limit(6); // 得到一个从第3个位置开始到第6个位置结束的子缓冲区 ByteBuffer newBuffer = buffer.slice(); // 输出子缓冲区的内容 while (newBuffer.hasRemaining()) { System.out.print(newBuffer.get()); } System.out.println(); // 修改子缓冲区 newBuffer.flip(); newBuffer.put((byte)100); System.out.println(newBuffer.get(0)); // 这里为什么去第3个位置？因为子缓冲区的第1个位置=父缓冲区的第3个位置 System.out.println(buffer.get(2));

输出结果：

2345
    100
    100

从结果可以看到，newBuffer是buffer的一部分（子缓冲区），而且数据是共享的（最后获取的第3个位置的数字都是100）。

## 只读缓冲区 ##

可以通过`asReadOnlyBuffer()`方法得到一个只读缓冲区，该缓冲区与原缓冲区共享内存数据。将缓冲区作为参数传递给某个方法时，无法确认该方法会不会破坏缓冲区的数据，此时可以使用只读缓冲区保证缓冲区数据不会被修改。  
同时，因为只读缓冲区和原缓冲区共享内存，因此原缓冲区的数据修改，对只读缓冲区也是可见的。

示例代码：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); for (int i=0;i<10;i++) { buffer.put((byte)i); } // 得到一个只读缓冲区 ByteBuffer bb = buffer.asReadOnlyBuffer(); // 重置position，准备读取数据 bb.flip(); while (bb.hasRemaining()) { System.out.print(bb.get()+","); } System.out.println(); // 重置原缓冲区的position，准备开始写入数据 buffer.flip(); // 在原缓冲区写入一个数字100 buffer.put((byte)100); // 由于上面读取只读缓冲区的数据时，position移动了，所以这里重置position，准备从头开始读取数据 bb.flip(); while (bb.hasRemaining()) { System.out.print(bb.get()+","); }

输出结果如下：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,
    100,1,2,3,4,5,6,7,8,9,

在原缓冲区写入了一个数字100，然后在只读缓冲区也是可以拿到的，说明原缓冲区与只读缓冲区是共享内存数据的。

## 文件映射到内存 ##

NIO提供了一个将文件映射到内存的方法进行I/O操作，它比常规的基于流的I/O操作快很多。这个操作由FileChannel.map()方法实现。

示例代码：

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("d:/urls.txt","rw"); // 得到FileChannel FileChannel channel = raf.getChannel(); // 得到MappedByteBuffer，映射文件的第1到第1024个位置的内容到Buffer MappedByteBuffer mbb = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024); // 循环输出缓冲的数据 while(mbb.hasRemaining()) { System.out.print((char)mbb.get()); // 这里文本的内容长度小于1024，mbb.get()到文件末尾后是空 } // 重置position，在文件开始位置写入hello,world mbb.flip(); mbb.put("hello,world".getBytes()); raf.close();

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子类，所以可以像操作ByteBuffer操作它。