《Java源码分析》：Java NIO 之 Buffer
在上篇博文中，我们介绍了Java NIO 中Channel 和Buffer的基本使用方法，这篇博文将从源码的角度来看下Buffer的内部实现。
在Java API文档中，对Buffer的说明摘入如下：
Buffer：是一个用于特定基本数据类型的容器。这里的特定基本数据类型指的是：除boolean类型的其他基本上数据类型。
缓冲区是特定基本数据类型元素的线性有限序列。除内容外，缓冲区饿基本属性还包括三个重要的属性，如下：
1、capacity(容量)：表示Buffer容量的大小。
2、limit(限制)：是第一个不应该读取或写入的元素的索引。缓冲区的限制不能为负数，并且不能大于其容量。
3、position(位置)：表示下一个要读取或写入的元素的索引。缓冲区的位置不能为负数，并且不能大于其限制。
刚看文档的时候，可能对limit和position的含义不是太能理解。这个我们看完源码之后，就会懂了哈，不急。
不过在看源码之前，可以提前来通过画图的方式来解释下limit 和 position。
在Buffer中有两种模式，一种是写模式，一种是读模式。
有了上图应该比较好理解position和limit的含义了。
下面就看下Buffer的源代码了。由于Buffer有很多子类，这里主要以IntBuffer为例。
Buffer的几个重要属性
// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;//位置
private int limit;//限制
private int capacity;//容量
这几个属性就也就是我们上面说到的position、limit、capacity，最后还有一个mark。
Buffer的构造方法
//构造函数，根据指定的参数来初始化Buffer特定的属性
//此构造函数时包私有的
Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) { // package-private
if (cap < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);
this.capacity = cap;
limit(lim);
position(pos);
if (mark >= 0) {
if (mark > pos)
throw new IllegalArgumentException("mark > position: ("
+ mark + " > " + pos + ")");
this.mark = mark;
}
}
构造函数中的逻辑相当简单，就是一个初始化，不过在里面包括的相关的有效性检查。
要注意的是此构造函数是包私有的。
可能有人像我一样，会有这样一个疑问：Buffer类是抽象类，为什么会有构造函数呢？
由于关于抽象类中有构造函数，自己也是第一次见到。因此查阅的相关资料。发现如下：
1、抽象类是可以有构造函数的。但很多人认为，构造函数用于实例化一个对象（或建立一个对象的实例），而抽象类不能被实例化，所以抽象类不应该有公共的构造函数。但不应该有“公共”的构造函数，和不应该有构造函数，这是两个不同的概念，所以,如果抽象类需要构造函数，那么应该声明为“protected”。
2、既然抽象类是可以，甚至有时候应该有构造函数，那抽象类的构造函数的作用是什么？我觉得至少有两个：
（1）初始化抽象类的成员；
（2）为继承自它的子类使用。
在Buffer这个抽象类中我们可以明显的感受到以上两点的作用。
3、即使我们声明一个没有构造函数的抽象类，编译器还会为我们生成一个默认的保护级别的构造函数。子类实例化时(不管是否为带参构造)只会调用所有父类的无参构造函数，而带参构造必须通过显式去调用.调用顺序是先调用抽象类的无参构造函数。如果子类实例化时是使用带餐的构造函数，则再接着调用抽象类的带参构造函数，最后调用子类本身的构造函数。
在构造函数，涉及到两个函数：limit(int newLimit)和position(int newPosition)，如下：
//函数的功能：设置Buffer的limit，如果position大于newLimit，则将position设置为新的limit。
//如果mark被定义且大于新的limit，则就会被抛弃。
public final Buffer limit(int newLimit) {
//有效性检查，即limit必须满足这样的关系：0<=limit<=position.
if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
throw new IllegalArgumentException();
limit = newLimit;
//如果position大于newLimit，则将position设置为新的limit。
if (position > limit) position = limit;
//如果mark被定义且大于新的limit，则会被抛弃(即设置为-1)
if (mark > limit) mark = -1;
return this;
}
limit(int newLimit)此函数的功能：简单来说就是设置limit。
//函数功能：设置Buffer的position.如果mark被定义且大于new position，则就会被抛弃。
public final Buffer position(int newPosition) {
//有效性检查，即0<=newPosition<=limit.
if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
throw new IllegalArgumentException();
position = newPosition;
//如果mark被定义且大于new position，则就会被抛弃。
if (mark > position) mark = -1;
return this;
}
position(int newPosition)此函数的功能简单来说：就是设置position.
这两个函数都比较简单哈，没有任何的难点。
Buffer中常见的方法介绍
在上篇博文的Demo代码中，我们会看到使用了Buffer中如下几个函数：
1、allocate ：分配一段空间的Buffer对象
2、put :用于往Buffer中添加元素
3、flip()：用于将写模式转化为读模式
4、hasRemaining:判断Buffer中是否还有元素可读
5、get()：读取Buffer中position位置的元素
6、clear() 或者是 compact()方法：清除元素
下面我们主要就看下以上几个方法的源代码
1、allocate(int cap)方法介绍
由于Buffer类是一个抽象类，是不可以实例化对象的，因此在Buffer中是不存在allocate(int cap)方法的，allocate(int cap)方法在其子类中均有实现。这里就以IntBuffer为例，看下Buffer子类IntBuffer的allocate(int cap)方法。
public static IntBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
return new HeapIntBuffer(capacity, capacity);
}
函数功能：分配一个新的用来装载int类型数据的Buffer对象实例。这个new buffer的position为0，limit为capacity,mark为未定义的(即为-1)。buffer中的元素全部初始化为零。
在allocate方法中直接是实例化了一个IntBuffer子类的对象。
既然这里涉及要HeapIntBuffer类，我们就看下这个类
public abstract class IntBuffer
extends Buffer
implements Comparable<IntBuffer>
class HeapIntBuffer
extends IntBuffer
从继承关系我们知道：HeapIntBuffer这个类是IntBuffer的子类
这个类的构造函数为
HeapIntBuffer(int cap, int lim) { // package-private
super(-1, 0, lim, cap, new int[cap], 0);
}
在这个构造函数中直接调用了父类IntBuffer中对应的构造函数。看下IntBuffer类中的这个构造函数。
在看构造函数之前，这里要说下IntBuffer类中的几个属性。
final int[] hb; // Non-null only for heap buffers
final int offset;
boolean isReadOnly; // Valid only for heap buffers
IntBuffer类中主要包括一个int类型的数组，即从这里我们知道，Buffer类的底层数据结构是借助于数组来完成的。
继续看IntBuffer类的构造方法
// Creates a new buffer with the given mark, position, limit, capacity,
// backing array, and array offset
//
IntBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap, // package-private
int[] hb, int offset)
{
super(mark, pos, lim, cap);//调用父类Buffer中对应有参的构造函数
this.hb = hb;
this.offset = offset;
}
以上，就是当我们使用如下代码得到IntBuffer实例的整个过程。
IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(cap);
2、put(int i)方法介绍
下面来看IntBuffer类中的put方法
public abstract IntBuffer put(int i);
public abstract int get(int index);
在IntBuffer类中put、get方法都是抽象的。
有了上面allocate方法的过程分析，我们知道IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(cap)
中的buffer实际上是父类的引用指向的是子类的对象。当我们使用buffer.put(value)/buffer.get().
实际上是调用子类HeapIntBuffer类中的put/get方法，这就是多态。在Java中相当重要的一个特征。
HeapIntBuffer类中put方法的实现如下：
public IntBuffer put(int x) {
hb[ix(nextPutIndex())] = x;
return this;
}
put方法实现的思想就是：将值存储在position位置即可。
这里涉及到两个新的函数，分别为：
1、nextPutIndex(),函数功能：简单来说就是返回下一个要写入元素的索引位置（即当前position值），并将position进行加一操作。
2、ix(int i)：偏移offset个位置
这两个函数的实现如下：
//函数功能：首先检查当前的position是否小于limit，如果小于则存储，否则抛异常。
final int nextPutIndex() { // package-private
if (position >= limit)
throw new BufferOverflowException();
return position++;
}
//函数功能：偏移offset个位置
protected int ix(int i) {
return i + offset;
}
3、get()方法介绍
看完了put方法，接下来来看下get方法
函数的功能：取得Buffer中position位置所指向的元素。
//函数功能：获取buffer中position所指向的元素。
public int get() {
return hb[ix(nextGetIndex())];
}
//函数功能：获取buffer中索引为i位置的元素
public int get(int i) {
return hb[ix(checkIndex(i))];
}
在get()方法中也涉及到两个另外的函数：
1、nextGetIndex()，函数功能：返回下一个读取的元素的索引位置（即position值）
2、ix(int i)
final int nextGetIndex() { // package-private
if (position >= limit)
throw new BufferUnderflowException();
return position++;
}
//将position向右移动nb个位置，这个函数目前还没有看见在哪里得到的应用
final int nextGetIndex(int nb) { // package-private
if (limit - position < nb)
throw new BufferUnderflowException();
int p = position;
position += nb;
return p;
}
以上就是get方法的内部实现，也相当简单哈。
4、flip()方法介绍
其实，在刚开始看别人博客的时候，是最不能理解这个函数的功能的，疑问在于：为什么要在读Buffer中的内容时，要先调用这个方法呢。
其实在自己把Buffer的读模式和写模式弄清楚之后，这个函数的功能我也就明白了。
/**
* Flips this buffer. The limit is set to the current position and then
* the position is set to zero. If the mark is defined then it is
* discarded.
*
* <p> After a sequence of channel-read or <i>put</i> operations, invoke
* this method to prepare for a sequence of channel-write or relative
* <i>get</i> operations. For example:
*
* <blockquote><pre>
* buf.put(magic); // Prepend header
* in.read(buf); // Read data into rest of buffer
* buf.flip(); // Flip buffer
* out.write(buf); // Write header + data to channel</pre></blockquote>
*
*/
//函数功能：将Buffer从写模式转化为读模式。
//具体为：将limit设置为此时position并且将position设置为零。如果mark被定义了则被抛弃(即设置为-1)
//这个方法的应用场景为：在管道读或调用put方法之后，调用此方法来为管道写或者是get操作做准备。
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
以上就是flip()方法的介绍，是不是也比较简单哈。
5、hasRemaining()介绍
函数功能：判断Buffer中是否还有可读取的元素。
/**
* Tells whether there are any elements between the current position and
* the limit.
*/
public final boolean hasRemaining() {
return position < limit;
}
此方法的内部实现直接是判断position是否小于limit.
所以，逻辑也是相当简单的。
6、clear() compact()方法的介绍
clear()函数功能:清空Buffer中所有的元素。
其内部实现直接是将Buffer里面几个属性进行了重置。
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
最后看下compact方法
compact()方法的功能：将已读元素进行清除，未读元素拷贝保留并拷贝到Buffer最开始位置。这个也是和clear()方法不同的地方。
具体实现如下：
public IntBuffer compact() {
//先进行拷贝，即将剩余的没有访问的元素拷贝到Buffer从零开始的位置
System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());//remaining()函数返回的是剩余元素个数
//设置position为下一个写入元素的位置
position(remaining());
//设置limit为Buffer容量
limit(capacity());
discardMark();//废弃mark，即将mark设置为-1
return this;
}
public final int remaining() {
return limit - position;
}
小结
以上就将Buffer的内部实现给过了一篇，过了一篇之后的感受就是其内部实现逻辑是相当相当的简单的哈。
我们只需要理解了Buffer中几种重要的属性：position、limit、capacity在读模式和写模式的含义的区别就可以很好的理解Buffer的内部实现了。
接下来自己还会看下Java NIO中Selector的内部实现。
完。
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