Netty--ByteBuffer

2. ByteBuffer

有一普通文本文件 data.txt，内容为

1234567890abcd

使用 FileChannel 来读取文件内容

@Slf4j
public class ChannelDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // FileChannel
        // 1. 输入输出流， 2. RandomAccessFile
    //    try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
    //         // 准备缓冲区
    //         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
    //         while(true) {
    //             // 从 channel 读取数据，向 buffer 写入
    //             int len = channel.read(buffer);
    //             log.debug("读取到的字节数 {}", len);
    //             if(len == -1) { // 没有内容了
    //                 break;
    //             }
    //             // 打印 buffer 的内容
    //             buffer.flip(); // 切换至读模式
    //             while(buffer.hasRemaining()) { // 是否还有剩余未读数据
    //                 byte b = buffer.get();
    //                 log.debug("实际字节 {}", (char) b);
    //             }
    //             buffer.clear(); // 切换为写模式
    //         }
    //     } catch (IOException e) {
    //         e.printStackTrace();
    //     }        
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {
            // 准备缓冲区
            FileChannel channel = file.getChannel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            do {
                // 从 channel 读取数据，向 buffer 写入
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读到字节数：{}", len);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                // 打印 buffer 的内容
                buffer.flip(); // 切换至读模式
                while(buffer.hasRemaining()) { // 是否还有剩余未读数据
                    log.debug("{}", (char)buffer.get());
                }
                // 切换 buffer 写模式
                buffer.clear();//清空刚刚读取过的数据，如果不清空，会进入死循环，永远读取的都是前10个数据
            } while (true);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出

10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：10
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1

2.1 ByteBuffer 正确使用姿势

  1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
  2. 调用 flip() 切换至读模式
  3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
  4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
  5. 重复 1~4 步骤

2.2 ByteBuffer 结构

ByteBuffer 有以下重要属性

  • capacity
  • position
  • limit

一开始

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后，position 切换为读取位置(开头)，limit 切换为读取限制(写入的字节总数)

读取 4 个字节后，状态

clear 动作发生后，状态

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式(让position变为剩余未读的字节数，limit变为buffer的容量)

💡 调试工具类
public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}

2.3 ByteBuffer 常见方法

分配空间

可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);
向 buffer 写入数据

有两种办法

  • 调用 channel 的 read 方法
  • 调用 buffer 自己的 put 方法
int readBytes = channel.read(buf);

和

buf.put((byte)127);
从 buffer 读取数据

同样有两种办法

  • 调用 channel 的 write 方法
  • 调用 buffer 自己的 get 方法
int writeBytes = channel.write(buf);

和

byte b = buf.get();

get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据

  • 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
  • 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针
mark 和 reset

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

注意

rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

字符串与 ByteBuffer 互转
        // 1. 字符串转为 ByteBuffer，不会转为读模式
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
        buffer1.put("hello".getBytes());
        debugAll(buffer1);

        // 2. Charset，直接转为读模式
        ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        debugAll(buffer2);

        // 3. wrap，直接转为读模式
        ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        debugAll(buffer3);

        // 4. 转为字符串
        String str1 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
        System.out.println(str1);

        buffer1.flip();//此处要转为读模式
        String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
class java.nio.HeapCharBuffer
你好
⚠️ Buffer 的线程安全

Buffer 是非线程安全的

2.4 Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件 3parts.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer

    try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("3parts.txt", "r").getChannel()) {
        ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);
        ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);
        ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);
        channel.read(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
        b1.flip();
        b2.flip();
        b3.flip();
        debugAll(b1);
        debugAll(b2);
        debugAll(b3);
    } catch (IOException e) {
    }

结果

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6f 6e 65                                        |one             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 77 6f                                        |two             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 72 65 65                                  |three           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

2.5 Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel

// try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {
//     FileChannel channel = file.getChannel();
//     ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4);
//     ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4);
//     channel.position(11);

//     d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'});
//     e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'});
//     d.flip();
//     e.flip();
//     debugAll(d);
//     debugAll(e);
//     channel.write(new ByteBuffer[]{d, e});
// } catch (IOException e) {
//     e.printStackTrace();
// }

ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");
ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");

try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {
    channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
} catch (IOException e) {
}

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 6f 75 72                                     |four            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 69 76 65                                     |five            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

文件内容

onetwothreefourfive

2.6 练习(黏包、半包)

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔 但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为

  • Hello,world\n
  • I'm zhangsan\n
  • How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (黏包(效率上的算法问题)，半包(读取的空间问题))

  • Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
  • w are you?\n

现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据

    public static void main(String[] args) {
         /*
         网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
         但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为
             Hello,world\n
             I'm zhangsan\n
             How are you?\n
         变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)
             Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
             w are you?\n
         现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据
         */
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
        source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
        split(source);
        source.put("w are you?\n".getBytes());
        split(source);
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            // 找到一条完整消息
            if (source.get(i) == '\n') {
                int length = i + 1 - source.position();
                // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，向 target 写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    target.put(source.get());
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        source.compact();
    }

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