byteBuffer_bytebuffer flip

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为什么会在RocketMQ系列里面参杂一篇ByteBuffer的文章呢？因为RocketMQ存储消息，是存储在文件中的，而且刚好使用的是ByteBuffer。这个属于Java NIO的内容，平时用到的非常少，如果像我一样没有相关的知识做铺垫，强行看RocketMQ消息存储相关的代码会比较头疼。为了减少学习难度，这里很有必要先介绍一下ByteBuffer相关的知识。

Buffer就是缓冲区的意思。如果数据直接来了就写入磁盘，那么肯定I/O操作太频繁，效率上不去。如果先写入缓冲区，等缓冲区数据量够了再一次性写入磁盘，是不是就好多了。

ByteBuffer就是存放字节的缓冲区。ByteBuffer继承了Buffer类，主要属性如下所示：

    private int mark = -1; // 标记位，配合mark()和reset()方法使用，可以记录某一次访问的位置。
    private int position = 0; // 访问位置，每访问一个byte就+1
    private int limit; // 读写限制位置，ByteBuffer的读写都不能超过这个位置
    private int capacity; // 容量，初始化后就不会再变了
    
    long address; // 访问地址，仅仅针对DirectByteBuffer，使用的是堆外内存。
    
    final byte[] hb; // 堆内内存时存放的内容
    final int offset; // 偏移量，使用byte数组初始化ByteBuffer时，数组的偏移量
    boolean isReadOnly; // 是否只读

上面的属性没有完全理解，也没有关系，后面会再次涉及到的，有个初步印象即可。

初始化

虽然ByteBuffer有构造函数，但是我们一般不用，转而使用ByteBuffer下面的几个静态函数来构造ByteBuffer对象。

    /** * 分配一个使用堆外内存的ByteBuffer */
    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) { 
   
        return new DirectByteBuffer(capacity);
    }

   /**分配一个堆内内存的ByteBuffer*/
    public static ByteBuffer allocate(int capacity) { 
   
        if (capacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
    }

   /**把给定的byte数组包装成一个byteBuffer*/
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array,
                                    int offset, int length)
    { 
   
        try { 
   
            return new HeapByteBuffer(array, offset, length);
        } catch (IllegalArgumentException x) { 
   
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        }
    }

    /**同上*/
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array) { 
   
        return wrap(array, 0, array.length);
    }

例如：

        final int CAPACITY = 1024 * 1024 * 50;
        ByteBuffer byteBufferHeap = ByteBuffer.allocate(CAPACITY);
        ByteBuffer byteBufferDirect = ByteBuffer.allocateDirect(CAPACITY);
        
        byte[] array = new byte[]{ 
   1,2,3};
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(array);

基本读写操作

下面是Thinking in java中关于缓冲器（ByteBuffer，又叫缓冲区）和通道（Channel）之间关系的描述：
在这里插入图片描述
从上述描述中，我们大致可以认为文件资源可以转换成一个通道，然后通过ByteBuffer读写文件。下面是一个简单的文件读取到byteBuffer的例子：

public static void main(String[] args) throws Exception { 
   

        String path = "d:" + File.separator + "bill"; // 文件内容是"abcdefg1234567890"
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(path);
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel(); // 我们可以通过FileInputStream和FileOutPutStream提供FileChannel对象。

        final int CAPACITY = 20; // 容量20个字节
        ByteBuffer byteBufferHeap = ByteBuffer.allocate(CAPACITY);

        fileChannel.read(byteBufferHeap); // 读取文件到缓冲区
 
        System.out.println(byteBufferHeap.position()); // 结果是17，读一个byte，position+1
        System.out.println(byteBufferHeap.capacity()); // 结果是20
        System.out.println(byteBufferHeap.limit()); // 结果是20

        byteBufferHeap.flip();// flip(翻转)操作会将当前position记录到limit中， 然后position翻转指回0，mark置为-1.
        // byteBufferHeap.clear(); // 后面会讲解
        
        System.out.println(byteBufferHeap.position()); // 结果是0
        System.out.println(byteBufferHeap.capacity()); // 容量不变，还是20
        System.out.println(byteBufferHeap.limit()); // 结果17
        
        while(byteBufferHeap.hasRemaining()){ 
    // 如果Postion和limit之间还有元素
            System.out.print((char)byteBufferHeap.get());
        }

        fileChannel.close();
    }

下面来一个简单的byteBuffer写文件例子：

public static void main(String[] args) throws Exception{ 
   
        String content = "我是内容";
        ByteBuffer byteBufferHeap = ByteBuffer.wrap(content.getBytes("UTF-8")); // 通过warp创建ByteBuffer

        String path = "d:" + File.separator + "out.txt";
        FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(path).getChannel();
        fileChannel.write(byteBufferHeap); // 把ByteBuffer内容写入channel

        String append = "我是追加内容";
        fileChannel.position(fileChannel.size());// 移动到文件尾
        fileChannel.write(ByteBuffer.wrap(append.getBytes("UTF-8")));
        
        fileChannel.close();
    }

flip()和clear()

flip(翻转)操作会将当前position记录到limit中，然后position翻转指回0，mark置为-1。而clear操作则将limit重置为capacity，position重置为0，mark置为-1。
这里的clear是一种逻辑上的清除操作，内容并没有真的消除。例如上面的读例子中，我们将 byteBufferHeap.flip();替换为 byteBufferHeap.clear();运行结果如下：

我们可以看到，内容仍然可以读取出来。使用clear的目的是方便我们重新读取数据到ByteBuffer中。当我们理解了flip()和clear()的意思之后，我们才知道什么时候该用哪个方法：
当我们第一次读取Channel内容到ByteBuffer中的时候，这时position已经是读取的长度，为了获取ByteBuffer的内容，我们需要flip()一下，使得position重新回到0，然后就可以读取ByteBuffer中的内容了。当我们需要向ByteBuffer重新写内容的时候（覆盖），我们需要clear()一下，然后读取Channel内容到ByteBuffer中。
当我们需要将ByteBuffer的内容写回Channel的时候，我们需要flip()一下，然后写入Channel。写Channel的时候，clear()没什么使用场景。
为什么需要flip()这么奇怪的方法呢？从Channel读取内容后，直接读取ByteBuffer多好！据Thinking in java说，这么做是为了效率！但是似乎没看到相关的解释，猜测和position的使用有关。

mark()和reset()

mark()可以立即保存当前的position()，方便后面使用reset()复位到之前的position的位置，所以mark()和reset()这里放在了一起进行说明。在RocketMQ中，mark()的一个使用场景是：
写入message前先记录ByteBuffer的position位置，然后保存内容到文件。如果下次读取的内容，文件已经没有剩余的空间保存了，那么需要使用reset()恢复到上次读取的位置。

rewind()

rewind类似于flip()，但是它只重置position=0，mark=-1，对于limit它是不处理的，默认limit已经在正确的位置。

堆内内存和堆外内存

之前的例子，创建的ByteBuffer都是分配的堆内内存，也就是jvm里面的内存。下面的例子，我们通过allocateDirect()申请堆外内存：

 public static void main(String[] args) throws Exception{ 
   
        String path = "d:" + File.separator + "bill";
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(path).getChannel();

        final int CAPACITY = 20;
        ByteBuffer byteBufferHeap = ByteBuffer.allocateDirect(CAPACITY); // 申请堆外内存

        while(fileChannel.read(byteBufferHeap) != -1){ 
   // 读取内容到byteBuffer中，直到文件末尾
            byteBufferHeap.flip();// 翻转byteBuffer，为了后面读取byteBuffer内容

            while(byteBufferHeap.hasRemaining()){ 
    // ByteBuffer还有内容
                System.out.print((char)byteBufferHeap.get());
            }

            byteBufferHeap.clear();// 清空byteBuffer，为了后面读取内容到ByteBuffer。
        }
    }

allocateDirect返回的是DirectByteBuffer对象，其继承关系如下所示（这个图是后面参考文章的）：
DirectByteBuffer的使用与ByteBuffer几乎没什么区别，但是它们所蕴含的意思大不一样。DirectByteBuufer使用的是堆外内存，而我们平时的ByteBuffer使用的是堆内内存。我们之前介绍属性的时候，有下面两个属性：

   long address; // 访问地址，仅仅针对DirectByteBuffer，使用的是堆外内存。
   final byte[] hb; // 堆内内存时存放的内容

分配堆外内存，会返回堆外内存的地址，并存放在address里面。如果是堆内内存，那么内容就存放在hb里面。所以这两者是互斥的。
对于需要频繁操作的内存，并且仅仅是临时存在一会的，都建议使用堆外内存，并且做成缓冲池，不断循环利用这块内存。
更详情的内容可以查看后面的参考文章，这里限于篇幅和知识，就不画蛇添足了。

零拷贝技术

RocketMQ号称使用了零拷贝技术，其实就是这里的堆外内存。应用程序读取磁盘文件，看似很简单，其实在操作系统底层做了多次拷贝。首先系统将磁盘文件拷贝进入内核缓冲区，然后再切换到用户态，将内容拷贝到用户的内存缓冲区。这里不仅有系统内核态、用户态的切换，而且还有多次拷贝。如果使用了堆外内存，那么系统内核将与应用共享一片缓存区，那么磁盘文件从磁盘拷贝到共享缓冲区后，应用程序就可以直接访问了，从而免去了拷贝操作。这里讲的很粗糙，如果感兴趣可以查看后面的参考文章。

好了，到这里我们基本上对ByteBuffer有了一个大致的了解，后面就是RockeMQ消息三部曲：消息发送、消息存储和消息消费的内容了，敬请期待。