Java NIO 之 Buffer

Java NIO 之 Buffer

　　Java NIO （Non Blocking IO 或者 New IO）是一種非阻塞IO的實現。NIO通過Channel、Buffer、Selector幾個組件的協同實現提升IO效率的目的。而ByteBuffer是其中最基礎的一種Buffer實現。

阻塞 or 非阻塞

 　　阻塞/非阻塞，同步/非同步是兩組非常容易產生混淆的概念。

同步/非同步：是從消息通信機制的劃分，如果調用者在沒有得到結果前“調用”不返回，則是同步的。而如果調用發出後，調用直接返回，結果由被調用者通過某種機制（通知、狀態）返回，則是非同步的。

阻塞/非阻塞：是站在調用者的角度，描述調用者在等待調用結果時的狀態。阻塞是指，在得到返回結果前，當前線程會被一直掛起，只有在得到結果後才返回。非阻塞是指，調用不會阻塞當前線程，可能不會得到想要的結果，但會立刻返回。

以找老闆簽報銷單為例：

如果去老闆工位發現老闆不在，你一直站在旁邊等老闆回來簽字才回去，那你就是阻塞的（好蠢。。。）；

如果去老闆工位發現老闆不在，你立馬回來繼續擼代碼，過會又跑去看看老闆在不在，如果不在又回來喝口水。。。那這個過程你就是非阻塞的（也有點蠢。。。）；

而上述兩個過程中，“通信機制”都是同步的。而：

如果，你跑過去找老闆簽字，老闆說放這吧，過會老闆把簽好的報銷單交給你，那這次交互過程就是非同步的（想得美。。。）；

可見JAVA NIO是非阻塞式的IO，是同步的IO機制。

Buffer的結構

Buffer通過position，limit，capacity三個變數管理內容。其中：capacity標記Buffer總容量大小；position標識當前可讀或者可寫的初始位置；limit標記當前可讀或者可寫的極限位置，當Buffer處於write模式時，limit=capacity，當切換至Read模式時，limit為對應寫模式時的position。三者滿足：position <= limit <= capacity；一種Buffer從寫模式切換至讀模式的示意如下圖：

Flip,Clear與Rewind

Clear操作，置position=0, limit=capacity，將Buffer置於寫模式；

Flip操作，置limit=last_position, position=0，將Buffer置於讀模式；

Rewind操作，置position=0, limit不變，使得可以重新讀取Buffer中的內容。

HeapByteBuffer , Direct ByteBuffer 與 MappedByteBuffer

ByteBuffer本質是一塊記憶體區域。對於ByteBuffer，可以通過allocate(int)和allocateDirect(int)分別分配Heap和Direct Buffer。ByteBuffer持有僅對Heap Buffer有效的一個位元組型數組：

final byte[] hb;                  // Non-null only for heap buffers

可見HeapByteBuffer是直接分配在堆上的，可以簡單理解為byte[]的一種封裝。

而Direct Buffer不直接分配在堆上，其不受GC管理（而指向這塊記憶體的Java對象是受GC管理的，只有GC回收了這個對象，操作系統才會釋放Direct Buffer的記憶體空間）。

由於Direct Buffer由系統直接管理，其讀寫的消耗小於在堆上進行讀寫（減少了從系統至程式記憶體空間的拷貝）。實際上每次使用ByteBuffer進行讀寫時，都會臨時開闢一段DirectBuffer（JDK實現上對其做了池化，避免了頻繁創建和釋放DirectBuffer帶來的高系統調用消耗），將ByteBuffer中的內容拷貝進其中，再進行後續操作，多了一步Buffer間的拷貝操作。所以對於重覆使用的Buffer，使用Direct Buffer的優點顯而易見。

但是創建和釋放Direct Buffer的代價則高於Heap Buffer（系統函數的直接調用），同時不當地使用DirectBuffer更容易引起記憶體泄漏。

       MappedByteBuffer是一種DirectByteBuffer，而其內容是一個文件的全部或者部分映射。由於MappedByteBuffer對進行了文件進行了記憶體映射，避免了讀寫時進行write/read系統調用，所有在大文件讀寫方面具有極高的性能。但是其同樣存在DirectByteBuffer存在的問題，同時涉及文件操作，文件的關閉也依賴於垃圾回收。

對上述三種Buffer進行測試對比，分別讀寫大小為1M，256M和1G的文件（過小的文件並沒有性能上的明顯差異），結果如下：

可見，當文件較小時三者並沒有明顯的性能差異。而在進行大文件的讀寫時MappedByteBuffer表現出了明顯的性能優勢。同時可以看到Direct和Heap之間並沒有明顯的差異。