NIO和ByteBuffer简单使用

前言

最近在做一个串口相关的项目,里面频繁使用了对字节数组的处理,所以需要使用ByteBuffer来处理,于是就对这方面知识做一个简单的梳理和记录。

NIO

Java NIO 是 java 1.4之后出的一套IO接口NIO中的N可以理解为Non-blocking,不单纯是New。

NIO的特性/NIO与IO区别:

  • IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的
  • IO流是阻塞的,NIO流是不阻塞的
  • NIO有选择器,而IO没有

Java IO是面向流的意味着我们从一个流中一次读取一个或多个字节。而要对读到的字节作何处理由我们自己决定;这其中没有任何缓存。此外,我们不能在数据流中来回移动;如果想要在从流读取的数据中来回移动,我们需要首先将数据缓存到缓冲区。Java NIO的缓冲型方法稍有不同。数据读取到缓冲区后被加工,我们可以根据需求在数据中来回移动。这为处理提供了灵活性;然而为了充分处理所有数据我们还需要检查缓冲区是否包含所有需要的数据,并且我们需要确保读取更多数据到缓冲区时未被处理的数据不能被覆盖。

Java IO的各种流是阻塞型的。这意味着,当一个线程调用read()方法或write()方法时这个线程将一直被阻塞,直到有数据被读到或者数据被完全写入;在被阻塞的同时,该线程不能做任何其他事情。Java NIO的非阻塞模式允许一个线程从一个channel中请求读取数据,这只会取到当前有效的数据或当前没有数据有效时获取不到任何数据;而不是一直阻塞直到所读取数据准备好为止;在这同时该线程可以做其他事情。

NIO读数据和写数据方式:

  • 从通道进行数据读取 :创建一个缓冲区,然后请求通道读取数据。
  • 从通道进行数据写入 :创建一个缓冲区,填充数据,并要求通道写入数据

NIO核心组件有:

  • Channels:NIO中的所有IO都是通过 Channel(通道) 传输的。
  • Buffers:本质上就是一块内存区, 一个Buffer有三个属性分别是:capacity容量、position位置、limit限制。
  • Selectors:称为选择器,用于检查一个或多个NIO Channel(通道)的状态是否处于可读、可写。

ByteBuffer的读写过程

capacity: 分配好的一个内存块大小,分配好后大小不可变。
limit:在读的模式下,表示缓存内数据的多少,并且limit<=capacity。在写的模式下,表示最多能存入多少数据,此时limit=capacity
position:表示读写的位置,下标从0开始。

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

使用Selector的好处在于: 使用更少的线程来就可以来处理通道了, 相比使用多个线程,避免了线程上下文切换带来的开销。

ByteBuffer

ByteBuffer最核心的方法是put(byte)和get()。分别是往ByteBuffer里写一个字节,和读一个字节。

值得注意的是,ByteBuffer的读写模式是分开的,正常的应用场景是:往ByteBuffer里写一些数据,然后flip(),然后再读出来。

一个ByteBuffer的使用过程是这样的:

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mByteBuffer = ByteBuffer.allocate(2048)
//读取数据,写入bytes数组
mByteBuffer.put(bytes, offset, length);
//变读为写
mByteBuffer.flip();
//读取byteBuffer,写入数据
writableByteChannel.write(byteBuffer);
//remaining方法返回剩余可用长度(实际读取的数据长度)
while ((readable = mByteBuffer.remaining()) >= Protocol.MIN_PACK_LEN) {
mByteBuffer.mark(); // 标记一下开始的位置
mByteBuffer.get(); //读取一字节数据(读取后会自动自增position)
mByteBuffer.position(mByteBuffer.position() + 2);
mByteBuffer.get();

mByteBuffer.reset(); // 回到头
final byte[] allPack = new byte[total];
mByteBuffer.get(allPack); // 拿到整个包

//只清空已读取的数据,未被读取的数据会被移动到buffer的开始位置
mByteBuffer.compact();

}

allocate方法

分配一个新的指定字节大小的缓冲区。新缓冲区的position将为零,其limit将为其容量,其mark(标记位)是不确定的。它的底层是用一个数组实现的。

put方法

写模式下,往buffer里写一个字节,并把postion移动一位。写模式下,一般limit与capacity相等。

bytebuffer写模式示意图

flip方法

flip()方法可以吧Buffer从写模式切换到读模式。调用flip方法会把position归零,并设置limit为之前的position的值。 也就是说,现在position代表的是读取位置,limit标示的是已写入的数据末尾位置。

flip方法调用位置示意图

get方法

从buffer里读一个字节,并把postion移动一位。上限是limit,即写入数据的最后位置。

get方法调用过程示意图

mark和reset方法

通过mark方法可以标记当前的position,通过reset来恢复mark的位置,这个非常像canva的save和restore:

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buffer.mark();

//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.

buffer.reset(); //set position back to mark.

clear和compact方法

当读取完数据后,需要清空buffer,以满足后续写入操作。清空buffer有两种方式:调用clear()或compact()方法。clear会清空整个buffer,compact则只清空已读取的数据,未被读取的数据会被移动到buffer的开始位置,写入位置则紧跟着未读数据之后。

remaining和hasRemaining方法

remaining方法返回当前的position和limit之间的元素个数,而hasRemaining方法可以判断当前的position和limit之间是否有元素。

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