关于NIO Buffer基本原理详解
关于NIO Buffer中4个重要状态属性的含义：position、limit、capacity与mark
Buffer本身是一个容器，称作缓冲区，里面包装了特定的一种原生类型，其子类包括ByteBuffer、CharBuffer、LongBuffer、IntBuffer、DoubleBuffer、ShortBuffer、FloatBuffer. 注意是没有Boolean类型的Buffer
Buffer是一种特定原生类型线性的有限的元素序列，Buffer中比较重要的4个属性:position、limit、capacity、mark. 在使用 Buffer 时，我们实际操作的就是这四个属性的值.
具体介绍下4个属性：
-
capacity（容量）：一个buffer能够容纳数据元素的最大数量，capacity不会为负数，且永远不能被改变.
假设：IntBuffer.allocate(1024), 分配了大小为1024的元素个数，则capacity就等于1024. -
limit（上界）：一个buffer的limit指的是第一个不能在读也不能在写的元素索引. limit不会为负数，并且一定是小于capacity的.
假设：IntBuffer.allocate(1024), 我们在程序中设置limit=512，说明Buffer的容量是1024，但是从512之后既不能读也不能写了，进一步说明该Buffer的实际可用大小是512. - position（位置）：一个buffer的position指的是下一个将要读或者写的元素的索引.position不会为负数，并且一定是小于limit的. position的位置主要由get()和put()方法的调用来更新.
-
mark（标记）：一个备忘地址，作为临时标记位置使用，标记在设定前是未定义的.
mark的使用场景：
假设IntBuffer.allocate(1024)，现在position位置为10，现在只想发送512到1024之间的缓冲数据，此时我们可以buffer.mark(buffer.position())既将position记入mark位置，然后buffer.postion(512)，此时发送的数据就是512到1024之间的数据。发送完成后，调用buffer.reset()将mark临时标记赋值给position使得position=mark。注意如果未设定mark，而调用了buffer.reset()方法则会抛出InvalidMarkException.
不变式:
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
传输数据:
Buffer中的每个子类中都有get()和put()方法.
带参数的put和get方法称作绝对存入/取出，位置是通过参数指定的.
绝对操作不影响position位置，但是如果索引位置超出limit，则会抛出IndexOutOfBoundsException；
不带参数的put和get称作相对存入/取出，即position位置自动前进.
对于get相对操作，如果位置超过了limit，则会抛出BufferUnderflowException；
对于put相对操作，如果位置超过了limit，则会抛出BufferOverflowException；
线程安全性:
buffer在多线程并发下并不是安全的。如果一个buffer会在多个线程使用，那么需要使用恰当的同步操作来访问buffer。也就是buffer本身并不是线程安全的。
常用方法:
这部分我们以实际代码为例来说明：
clear()方法，清除，将buffer重置为空状态，它并不会更改缓冲区内的任何数据元素. 如果此时还没有读取的数据，则就无法读取到了.
public final Buffer clear() {
position = 0; // 位置重置为0
limit = capacity; // limit重置为capacity
mark = -1; // 丢弃标记
return this;
}
flip()方法，翻转，使buffer从写模式转换到读模式.
public final Buffer flip() {
limit = position; // 将limit设置为position
position = 0; // position重置为0
mark = -1; // 丢弃标记
return this;
}
rewind()方法，重绕，重置position为0，limit保持不变，此时调用rewind前buffer已处于读模式下了, 可以重新读取buffer中的数据.
public final Buffer rewind() {
position = 0; // 重置position为0
mark = -1; // 丢弃标记
return this;
}
compact()方法，将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处. 然后将position设到最后一个未读元素正后面. limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity. 现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据.
注意compact方法的实现是由原生类型的子类实现，比如ByteBuffer则由HeapByteBuffer中实现.
public ByteBuffer compact() {
System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
position(remaining());
limit(capacity());
discardMark();
return this;
}
hasRemaining()方法，会在读取缓冲区时告诉你是否已经达到缓冲区的上界. 可以通过remaining()高效读取buffer数据.
int count = buffer.remaining();
for (int i = 0; i < count; i++) {
myByteArray[i] = buffer.get();
}
slice()方法，是对原有数据的一个快照，共享相同的底层数据元素. 调用slice方法后，会得到大于等于position且小于limit之间的数据，对于改变slice方法获得大buffer数据，也能够反映到原buffer上。
举个例子：
public class NioTest6_slice {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
int capacity = byteBuffer.capacity();
for (int i = 0 ; i < capacity; i++) {
byteBuffer.put((byte)i);
}
// 设置position、limit
byteBuffer.position(2);
byteBuffer.limit(6);
//slice方法是前闭后开的 大于等于position，小于limit
ByteBuffer subByteBuffer = byteBuffer.slice();
// 改变subByteBuffer内容，也能反映到byteBuffer上
for (int j = 0; j < subByteBuffer.capacity(); j++) {
// 2到5位置的数*2
subByteBuffer.put((byte)(2 * subByteBuffer.get(j)));
}
// 设置回原来的值，打印输出看下byteBuffer数据变化
byteBuffer.position(0);
byteBuffer.limit(capacity);
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(byteBuffer.get());
}
}
}
输出结果中看到第3个位置到第5个位置的数据都✖️2了，返回4,6,8.
0
1
4
6
8
10
6
7
8
9
duplicate()方法，创建了一个与原始缓冲区相似的新缓冲区，与调用slice方法一样也是共享相同的底层数据元素, 拥有同样的容量, 但每个缓冲区拥有各自的 position、limit 和 mark 属性.
public class NioTest6_duplicate {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
int capacity = byteBuffer.capacity();
for (int i = 0 ; i < capacity; i++) {
byteBuffer.put((byte)i);
}
ByteBuffer subByteBuffer = byteBuffer.duplicate();
subByteBuffer.position(0); // 单独给duplicate出来的buffer设置position
System.out.println("byteBuffer position:" + byteBuffer.position() + "--subByteBuffer position:" + subByteBuffer.position());
// 改变subByteBuffer内容，也能反映到byteBuffer上
for (int j = 0; j < subByteBuffer.capacity(); j++) {
// 2到5位置的数*2
subByteBuffer.put((byte)(2 * subByteBuffer.get(j)));
}
// 切换到读模式
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(byteBuffer.get());
}
}
}
输出结果能看到原buffer数据元素变化
byteBuffer position:10--subByteBuffer position:0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
asReadOnlyBuffer()方法，我们可以随时将一个普通的Buffer调用asReadOnlyBuffer方法返回一个只读Buffer. 但是，不能将一个只读Buffer转换为读写Buffer.
关于Buffer的Scattering 和 Gathering
scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体.
Scattering：
Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定). 换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。
Gattering：
buffer数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。
因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息.
举个例子：
public class NioTest10_scatteringandgathering {
public static void main(String[] args) throws Exception {
try(ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) {
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(8899);
serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress); // 绑定到8899端口
int messageLength = 2 + 3 + 4;
ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[3];
byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(2);
byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);
byteBuffers[2] = ByteBuffer.allocate(4);
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
do {
int byteRead = 0;
while (byteRead < messageLength) {
long r = socketChannel.read(byteBuffers);
System.out.println("--------------r:" + r);
byteRead += r;
System.out.println("byteRead:" + byteRead);
Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "position:" + buffer.position() + ", limit:" + buffer.limit())
.forEach(System.out::println);
}
Arrays.asList(byteBuffers).forEach(Buffer::flip);
// 实际写的个数
int byteWrites = 0;
while (byteWrites < messageLength) {
long r = socketChannel.write(byteBuffers);
byteWrites += r;
}
Arrays.asList(byteBuffers).forEach(Buffer::clear);
System.out.println("byteRead:" + byteRead + ", byteWrite:" + byteWrites + ", messageLength:" + messageLength);
} while (true);
}
}
}
以上服务启动后，我们通过nc localhost 8899或者telecom localhost 8899,然后输入Hello world字符串，在控制台上能看到输出：
--------------r:9
byteRead:9
position:2, limit:2
position:3, limit:3
position:4, limit:4
byteRead:9, byteWrite:9, messageLength:9
参考文章：
http://zachary-guo.iteye.com/blog/1457542
http://www.jianshu.com/p/1af407c043cb
