深入理解 Java NIO：ByteBuffer和MappedByteBuffer的特性与使用

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目录

前言

ByteBuffer是什么

重要特点

分配缓冲区

读写模式切换

操作文本数据

操作基本数据类型

案例解析-循环输出数据

MappedByteBuffer是什么

MappedByteBuffer 的工作机制

刷盘时机

总结

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前言

在深入学习 RocketMQ 这款高性能消息队列框架的源码时，发现 ByteBuffer 和 MappedByteBuffer在 RocketMQ 这样的高性能消息队列框架中扮演了关键角色，其核心部分广泛使用了这两种缓冲区，以实现高效的数据存储和异步刷盘操作。 接下来就深入学习ByteBuffer 和 MappedByteBuffer 的工作原理、优势特点，以便能运用到实际业务中。

ByteBuffer是什么

ByteBuffer 是 Java NIO（New Input/Output）库中的一个类，用于高效地进行字节数据的读写操作。ByteBuffer 提供了一个直接操作字节数组的接口，使得开发者可以更加灵活和高效地处理数据，特别是在处理大文件、网络通信以及其他需要高性能 I/O 操作的场景下。

重要特点

使用 ByteBuffer 进行数据读取时，内部的 position 指针会在每次读取操作后自动向前移动。这是 ByteBuffer 的基本操作原理之一，用于追踪缓冲区当前的读取或写入位置 。

分配缓冲区

ByteBuffer 类提供了两种主要的方法来分配缓冲区：allocate 和 allocateDirect

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

• allocate：分配JVM堆内存中的缓冲区，所以它受 JVM 垃圾回收的管理, 在执行 I/O 操作时，可能需要将数据从堆内存复制到操作系统的 I/O 缓冲区中,相对于直接缓冲区,堆缓冲区的性能通常稍逊色,适合对性能要求不高的场景。
• allocateDirect：分配的缓冲区是在 JVM 堆外的直接内存中,从而减少了内存复制的开销,适合需要高性能 I/O 操作的场景，由于直接缓冲区不受 JVM 垃圾回收的管理，它可能会造成内存泄漏，需要额外注意管理。

读写模式切换

ByteBuffer 提供了 flip() 方法，可以方便地从写模式切换到读模式；clear() 方法可以重置缓冲区，使其再次可用于写入数据。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.flip();
buffer.clear();

操作文本数据

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class ByteBufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "Hello, ByteBuffer!";
        // 创建一个 ByteBuffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 将字符串转换为字节数组并逐个字节写入
        byteBuffer.put(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        // 准备读取
        byteBuffer.flip();
        // 读取并输出 ByteBuffer 中的字节
        byte[] outputArray = new byte[byteBuffer.remaining()];
        byteBuffer.get(outputArray);
        String outputText = new String(outputArray, StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println("Stored and retrieved text: " + outputText);
    }
}

• 其中ByteBuffer.remaining() 方法就是确定在当前缓冲区的 position 和 limit 之间还有多少字节可以读取。它间接告诉你“从当前位置到缓冲区结束，可以读取的字节数”。

上面案例只是对单条数据进行操作，所以获取时直接调用remaining()方法获取所有可以读取的字节数并输出。

那么我们需要存储多条数据，并且逐条输出呢？

• 对于固定大小的数据，可以直接逐条写入数据，并在读取时使用 get 方法按固定字节数读取。（对于实际业务中很难保证操作的文本数据大小一样）
• 对于可变大小的数据，先存储每条数据的长度，然后存储数据内容；读取时先读取长度，再读取对应大小的数据内容。（显然这种维护成本很高）

操作基本数据类型

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.putInt(1);
buffer.putLong(1L);
buffer.putFloat(1.0f);
buffer.putDouble(1.0);
...

我们知道一个基本数据类型的大小是固定的,所以ByteBuffer提供了相关方法

• int 类型占用 4 个字节
• long 类型占用 8 个字节
• float 类型占用 4 个字节
• double 类型占用 8 个字节

案例解析-循环输出数据

如果我们一条数据由20个字节组成，并且这20个字节是三个关键数据组合（基于RocketMq源码ConsumeQueue场景简化）

我们对2条数据进行存储并获取操作。

注意：获取顺序必须与写入顺序一致！！！

public static void main(String[] args) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    //第一条数据
    buffer.putLong(637823L);
    buffer.putInt(233);
    buffer.putLong(232342L);
    //第二条数据
    buffer.putLong(34234L);
    buffer.putInt(33);
    buffer.putLong(34322L);
    //切换读模式
    buffer.flip();
    while (buffer.hasRemaining()){
        //偏移量
        long offset = buffer.getLong();
        //msg大小
        int msgSize = buffer.getInt();
        //标签大小
        long tagsSize = buffer.getLong();
        //拼接一条完整的数据
        String msgIndex = offset + "" + msgSize + "" + tagsSize;
        System.out.println("msgIndex：" + msgIndex);
    }
}

输出：

MappedByteBuffer是什么

MappedByteBuffer 是 ByteBuffer 的一个子类，所以具有ByteBuffer 的所有特性，它核心是用于内存映射文件（mmap机制的一种实现）。它通过将文件映射到内存，使得应用程序可以直接在内存中对文件内容进行读写操作，而操作系统负责在适当的时候将这些修改同步到磁盘上。这种机制极大地提高了文件 I/O 的效率。

MappedByteBuffer 的工作机制

1. 内存映射：文件的内容被映射到内存后，操作系统会在后台维护内存和磁盘之间的同步。应用程序对 MappedByteBuffer 的读写操作实际上是对内存的读写，操作系统会在适当的时候将这些修改写入到磁盘中。
2. 异步刷盘：操作系统通过页面缓存机制来管理内存和磁盘之间的数据同步。修改后的页面不会立即写回磁盘，而是被标记为“脏页”（dirty page）。当页面缓存需要释放内存或达到一定条件时，操作系统会将脏页刷盘。
3. 手动刷盘：MappedByteBuffer 提供了 force() 方法，允许应用程序立即将内存中的修改同步到磁盘。这个方法会触发操作系统将映射的内存区域中的脏页写回到文件中，确保数据的持久性。

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class MappedByteBufferExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
        FileChannel channel = file.getChannel();
        // 将文件的前 1024 字节映射到内存
        MappedByteBuffer buffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
        // 在内存中修改数据
        buffer.put(0, (byte) 97);  // 写入 ASCII 码 'a'
        // 手动将内存中数据刷新到磁盘
        buffer.force();
        channel.close();
        file.close();
    }
}

刷盘时机

• 在使用 MappedByteBuffer 进行内存映射文件操作时，除了显式调用 force() 方法触发刷盘外，其他刷盘操作由操作系统根据内存管理和 I/O 子系统的机制自行决定。应用程序通常无法确切知道刷盘的具体时间。
• 可以通过日志、监控工具和文件系统统计信息了解系统的刷盘行为。为了确保关键数据的及时刷盘，可以显式调用刷盘方法并采用事务机制管理数据写入等。

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总结

ByteBuffer 和 MappedByteBuffer 是 Java NIO 中重要的组件，通过提供高效的内存和文件操作机制，极大地提高了 I/O 操作的性能和灵活性。理解并掌握它们的使用，可以帮助我们在处理大数据量、高性能应用时游刃有余。通过学习它们的底层实现和应用场景，我们可以更好地优化应用程序的 I/O 操作，提高整体系统性能。

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_39818325/article/details/140695639
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