揭秘 Java ShortBuffer：深入剖析使用原理与源码实现
一、引言
在 Java 的编程世界里，数据处理是一项核心任务。而对于处理短整型（short）数据，ShortBuffer 扮演着至关重要的角色。ShortBuffer 是 Java NIO（New Input/Output）包中的一个关键类，它提供了高效、灵活的短整型数据缓冲区操作方式。无论是在网络编程、文件处理，还是在一些需要高性能数据处理的场景中，ShortBuffer 都能发挥出其独特的优势。
本文将带您深入探索 ShortBuffer 的使用原理，从源码级别进行详细分析。我们会逐步揭开 ShortBuffer 的神秘面纱，了解它的内部结构、核心方法以及如何高效地使用它。通过对每一个步骤的源码分析，您将能够透彻理解 ShortBuffer 的工作机制，从而在实际开发中更加得心应手地运用它。
二、ShortBuffer 概述
2.1 基本概念
ShortBuffer 是 Java NIO 中用于存储和操作短整型（short）数据的缓冲区类。它继承自 Buffer 类，因此具备 Buffer 类所定义的一些基本属性和操作方法。ShortBuffer 提供了一种高效的方式来处理短整型数据，允许我们在内存中直接操作这些数据，而无需频繁地进行数据的转换和拷贝。
2.2 主要属性
ShortBuffer 继承了 Buffer 类的主要属性，这些属性对于控制缓冲区的状态和操作非常重要，具体如下：
- 容量（Capacity）：表示
ShortBuffer可以存储的最大短整型元素数量。一旦缓冲区被创建，其容量就固定不变了。这个属性在创建缓冲区时就被确定，用于限定缓冲区的大小范围。
// 示例：创建一个容量为 10 的 ShortBuffer
ShortBuffer buffer = ShortBuffer.allocate(10);
// 获取缓冲区的容量
int capacity = buffer.capacity();
// 输出结果为 10
System.out.println("Capacity: " + capacity);
- 位置（Position）：指向缓冲区中下一个要进行读写操作的元素索引。初始时，位置为 0。在进行写操作时，每写入一个短整型元素，位置就会自动向后移动一位；在进行读操作时，每读取一个元素，位置同样会向后移动。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 写入一个短整型元素
buffer.put((short) 1);
// 获取当前位置
int position = buffer.position();
// 输出结果为 1
System.out.println("Position after put: " + position);
- 限制（Limit）：用于限定在缓冲区中可以进行读写操作的范围。限制的值总是小于或等于容量。在读模式下，限制表示可以读取的最大元素数量；在写模式下，限制表示可以写入的最大元素数量。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 设置限制为 5
buffer.limit(5);
// 获取当前限制
int limit = buffer.limit();
// 输出结果为 5
System.out.println("Limit: " + limit);
- 标记（Mark）：是一个可选的索引位置，用于标记当前位置。可以通过
mark()方法设置标记，之后通过reset()方法将位置重置到标记处。这在需要多次访问同一位置的数据时非常有用。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 写入一个短整型元素
buffer.put((short) 2);
// 设置标记
buffer.mark();
// 继续写入元素
buffer.put((short) 3);
// 重置位置到标记处
buffer.reset();
// 获取当前位置，此时位置应该回到标记处
int positionAfterReset = buffer.position();
// 输出结果为 1
System.out.println("Position after reset: " + positionAfterReset);
2.3 主要方法
ShortBuffer 提供了一系列丰富的方法，用于实现短整型数据的读写、缓冲区状态的管理以及数据的转换等操作。以下是一些主要方法的介绍：
- 读写方法：
put(short s)：将一个短整型元素写入缓冲区的当前位置。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 写入一个短整型元素
buffer.put((short) 4);
- `get()`：从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了元素
// 读取一个短整型元素
short value = buffer.get();
// 输出读取的值
System.out.println("Read value: " + value);
- `put(short[] src)`：将一个短整型数组中的所有元素写入缓冲区。
short[] array = {5, 6, 7};
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 将数组中的元素写入缓冲区
buffer.put(array);
- `get(short[] dst)`：将缓冲区中的元素读取到一个短整型数组中。
short[] destination = new short[3];
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了足够的元素
// 从缓冲区读取元素到数组
buffer.get(destination);
// 输出数组中的元素
for (short num : destination) {
System.out.println(num);
}
- 缓冲区状态管理方法：
flip()：将缓冲区从写模式切换到读模式。它会将限制设置为当前位置，然后将位置重置为 0。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了一些元素
// 切换到读模式
buffer.flip();
- `rewind()`：重置缓冲区的位置为 0，取消标记，用于重新读取缓冲区中的数据。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经进行了读取操作
// 重置位置，以便重新读取
buffer.rewind();
- `clear()`：清空缓冲区，实际上是将位置重置为 0，限制设置为容量，取消标记，使缓冲区可以重新写入数据。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经使用过
// 清空缓冲区，准备重新写入
buffer.clear();
- 标记相关方法：
mark()：设置当前位置为标记位置。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经移动到了某个位置
// 设置标记
buffer.mark();
- `reset()`：将位置重置到标记位置。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经设置了标记，然后继续移动了位置
// 重置位置到标记处
buffer.reset();
2.4 应用场景
ShortBuffer 在许多场景中都有广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：
- 音频处理：在音频数据处理中，短整型数据经常用于表示音频样本。
ShortBuffer可以高效地存储和处理这些音频样本，例如在音频播放、录制和编辑等操作中。 - 图像处理：在某些图像处理算法中，可能会使用短整型数据来表示图像的像素值。
ShortBuffer可以作为存储和处理这些像素值的缓冲区，方便进行图像的滤波、增强等操作。 - 网络编程：在网络通信中，短整型数据可能会用于传输一些特定的信息，如端口号、数据长度等。
ShortBuffer可以用于在网络传输过程中存储和处理这些短整型数据，提高数据传输的效率。
三、ShortBuffer 类结构和成员变量
3.1 类结构
ShortBuffer 是一个抽象类，它继承自 Buffer 类并实现了 Comparable<ShortBuffer> 接口。其类结构如下：
// 定义 ShortBuffer 类，继承自 Buffer 类并实现 Comparable<ShortBuffer> 接口
public abstract class ShortBuffer
extends Buffer
implements Comparable<ShortBuffer> {
// 受保护的构造函数，用于初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
protected ShortBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {
// 调用父类 Buffer 的构造函数进行初始化
super(mark, pos, lim, cap);
}
// 抽象方法，用于将一个短整型元素写入缓冲区的当前位置
public abstract ShortBuffer put(short s);
// 抽象方法，用于从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public abstract short get();
// 其他抽象方法和具体方法的定义...
...
}
从上述代码可以看出，ShortBuffer 继承了 Buffer 类的属性和方法，同时实现了 Comparable<ShortBuffer> 接口，这意味着 ShortBuffer 实例之间可以进行比较操作。ShortBuffer 定义了一些抽象方法，这些方法需要由具体的子类来实现，以完成实际的短整型数据读写等操作。
3.2 成员变量
ShortBuffer 的成员变量主要继承自 Buffer 类，Buffer 类的成员变量定义如下：
// 定义 Buffer 类
public abstract class Buffer {
// 标记位置，用于记录当前位置以便后续重置
private int mark = -1;
// 当前位置，指向下一个要进行读写操作的元素索引
private int position = 0;
// 限制位置，限定了在缓冲区中可以进行读写操作的范围
private int limit;
// 缓冲区的容量，即可以存储的最大元素数量
private int capacity;
// 构造函数，用于初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {
// 检查容量是否为非负数，如果为负数则抛出异常
if (cap < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);
// 初始化容量
this.capacity = cap;
// 调用 limit 方法设置限制
limit(lim);
// 调用 position 方法设置位置
position(pos);
// 如果标记大于等于 0
if (mark >= 0) {
// 检查标记是否大于位置，如果大于则抛出异常
if (mark > pos)
throw new IllegalArgumentException("mark > position: (" + mark + " > " + pos + ")");
// 初始化标记
this.mark = mark;
}
}
// 其他方法的定义...
...
}
这些成员变量在 ShortBuffer 中起着至关重要的作用，它们共同维护着 ShortBuffer 的状态，控制着短整型数据的读写操作范围和位置。例如，position 变量决定了下一个短整型元素的读写位置，limit 变量限制了可操作的元素范围，mark 变量则提供了灵活的位置标记和重置功能。
四、ShortBuffer 的构造方法
4.1 静态工厂方法
ShortBuffer 提供了多个静态工厂方法，用于创建 ShortBuffer 实例，这些方法主要包括：
// 分配一个指定容量的非直接 ShortBuffer
public static ShortBuffer allocate(int capacity) {
// 检查容量是否为非负数，如果为负数则抛出异常
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 创建一个 HeapShortBuffer 实例，HeapShortBuffer 是 ShortBuffer 的具体实现类之一
return new HeapShortBuffer(capacity, capacity);
}
// 将指定短整型数组包装成一个 ShortBuffer
public static ShortBuffer wrap(short[] array) {
// 调用 wrap 方法，将数组全部内容包装成 ShortBuffer，偏移量为 0，长度为数组长度
return wrap(array, 0, array.length);
}
// 将指定短整型数组的一部分包装成一个 ShortBuffer
public static ShortBuffer wrap(short[] array, int offset, int length) {
try {
// 创建一个 HeapShortBuffer 实例，将数组指定部分包装成 ShortBuffer
return new HeapShortBuffer(array, offset, length);
} catch (IllegalArgumentException x) {
// 如果偏移量或长度不合法，抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
throw new IndexOutOfBoundsException();
}
}
allocate(int capacity)：该方法用于分配一个具有指定容量的非直接ShortBuffer。它会创建一个HeapShortBuffer实例，HeapShortBuffer是ShortBuffer的一个具体子类，其内部数据存储在 Java 堆内存中。方法首先检查传入的容量参数是否为非负数，若为负数则抛出IllegalArgumentException异常，然后返回新创建的HeapShortBuffer实例。
// 创建一个容量为 20 的 ShortBuffer
ShortBuffer buffer = ShortBuffer.allocate(20);
wrap(short[] array)：此方法用于将整个指定的短整型数组包装成一个ShortBuffer。它实际上是调用了wrap(short[] array, 0, array.length)方法，将数组从起始位置（偏移量为 0）开始，长度为数组长度的部分包装成一个ShortBuffer实例。
short[] shortArray = {1, 2, 3, 4, 5};
// 将数组包装成 ShortBuffer
ShortBuffer wrappedBuffer = ShortBuffer.wrap(shortArray);
wrap(short[] array, int offset, int length)：该方法将指定短整型数组的一部分包装成一个ShortBuffer。它会检查传入的偏移量和长度参数是否合法，如果不合法则抛出IndexOutOfBoundsException异常。合法的情况下，创建一个HeapShortBuffer实例，将数组中从offset位置开始，长度为length的短整型数据包装到该实例中。
short[] anotherArray = {10, 20, 30, 40, 50};
// 将数组从索引 1 开始的 3 个元素包装成 ShortBuffer
ShortBuffer partialWrappedBuffer = ShortBuffer.wrap(anotherArray, 1, 3);
4.2 具体实现类的构造方法
4.2.1 HeapShortBuffer 的构造方法
// 定义 HeapShortBuffer 类，继承自 ShortBuffer
class HeapShortBuffer
extends ShortBuffer {
// 存储短整型数据的数组
final short[] hb;
// 数组的偏移量
final int offset;
// 标识缓冲区是否为只读
boolean isReadOnly;
// 构造函数，创建一个指定容量的 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer(int cap, int lim) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, 0, lim, cap);
// 初始化存储短整型数据的数组
hb = new short[cap];
// 初始化数组偏移量
offset = 0;
}
// 构造函数，将指定短整型数组的一部分包装成 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer(short[] buf, int off, int len) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, off, off + len, buf.length);
// 初始化存储短整型数据的数组
hb = buf;
// 初始化数组偏移量
offset = 0;
}
// 其他方法的定义...
...
}
HeapShortBuffer(int cap, int lim)：该构造函数用于创建一个具有指定容量cap和限制lim的HeapShortBuffer实例。它首先调用父类ShortBuffer的构造函数，传入初始的标记（-1）、位置（0）、限制lim和容量cap，完成缓冲区基本属性的初始化。然后，创建一个长度为cap的短整型数组hb用于存储短整型数据，并将数组偏移量offset初始化为 0。
// 创建一个容量为 15，限制为 15 的 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer heapBuffer = new HeapShortBuffer(15, 15);
HeapShortBuffer(short[] buf, int off, int len)：此构造函数用于将指定短整型数组buf的一部分包装成HeapShortBuffer实例。它调用父类ShortBuffer的构造函数，传入初始的标记（-1）、位置off、限制off + len和容量buf.length，完成缓冲区属性的初始化。接着，将传入的短整型数组buf赋值给hb，并将数组偏移量offset初始化为 0。
short[] sampleArray = {100, 200, 300, 400, 500};
// 将数组从索引 2 开始的 2 个元素包装成 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer partialHeapBuffer = new HeapShortBuffer(sampleArray, 2, 2);
五、ShortBuffer 的核心操作方法
5.1 读写方法
5.1.1 put 方法
ShortBuffer 提供了多种 put 方法的重载形式，用于向缓冲区中写入短整型数据，具体如下：
// 向缓冲区的当前位置写入一个短整型元素
public abstract ShortBuffer put(short s);
// 向缓冲区的指定位置写入一个短整型元素
public abstract ShortBuffer put(int index, short s);
// 将指定 ShortBuffer 中的元素写入当前缓冲区
public ShortBuffer put(ShortBuffer src) {
// 检查源缓冲区是否为当前缓冲区本身，如果是则抛出 IllegalArgumentException 异常
if (src == this)
throw new IllegalArgumentException();
// 检查源缓冲区剩余元素数量是否大于当前缓冲区剩余空间，如果大于则抛出 BufferOverflowException 异常
if (src.remaining() > remaining())
throw new BufferOverflowException();
// 循环将源缓冲区中的元素写入当前缓冲区
while (src.hasRemaining())
put(src.get());
return this;
}
// 将指定短整型数组中的元素写入缓冲区
public ShortBuffer put(short[] src) {
// 调用 put 方法，将数组全部内容写入缓冲区，偏移量为 0，长度为数组长度
return put(src, 0, src.length);
}
// 将指定短整型数组的一部分写入缓冲区
public ShortBuffer put(short[] src, int offset, int length) {
// 检查偏移量和长度是否合法，如果不合法则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
checkBounds(offset, length, src.length);
// 检查缓冲区剩余空间是否小于要写入的元素数量，如果小于则抛出 BufferOverflowException 异常
if (length > remaining())
throw new BufferOverflowException();
// 循环将数组指定部分的元素写入缓冲区
for (int i = offset; i < offset + length; i++)
put(src[i]);
return this;
}
put(short s)：这是一个抽象方法，具体实现由ShortBuffer的子类完成。它的作用是将指定的短整型元素s写入缓冲区的当前位置，写入后位置自动向后移动一位。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 写入一个短整型元素
buffer.put((short) 10);
put(int index, short s)：同样是抽象方法，用于将短整型元素s写入缓冲区的指定位置index。该方法允许开发者直接操作缓冲区中特定位置的元素。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 在索引 2 的位置写入一个短整型元素
buffer.put(2, (short) 20);
put(ShortBuffer src)：此方法将指定的源ShortBuffer中的元素写入当前缓冲区。首先，它会检查源缓冲区是否为当前缓冲区本身，如果是则抛出IllegalArgumentException异常。接着，检查源缓冲区中剩余的元素数量是否大于当前缓冲区剩余的空间，如果大于则抛出BufferOverflowException异常。在确保合法的情况下，通过循环不断从源缓冲区读取元素并写入当前缓冲区。
// 假设已经创建了两个 ShortBuffer 对象 sourceBuffer 和 destinationBuffer
// 将 sourceBuffer 中的元素写入 destinationBuffer
destinationBuffer.put(sourceBuffer);
put(short[] src)：该方法将指定短整型数组src中的所有元素写入缓冲区，它实际上是调用了put(short[] src, 0, src.length)方法，将数组从起始位置（偏移量为 0）开始，长度为数组长度的元素写入缓冲区。
short[] arrayToWrite = {30, 40, 50};
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 将数组中的元素写入缓冲区
buffer.put(arrayToWrite);
put(short[] src, int offset, int length)：用于将短整型数组src中从offset位置开始，长度为length的元素写入缓冲区。方法会先检查偏移量和长度是否合法，以及缓冲区剩余空间是否足够，若不满足条件则抛出相应异常，合法的情况下通过循环将元素写入缓冲区。
short[] anotherArrayToWrite = {60, 70, 80, 90, 100};
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 将数组从索引 1 开始的 3 个元素写入缓冲区
buffer.put(anotherArrayToWrite, 1, 3);
5.1.2 get 方法
ShortBuffer 也提供了多种 get 方法的重载形式，用于从缓冲区中读取短整型数据，代码如下：
// 从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public abstract short get();
// 从缓冲区的指定位置读取一个短整型元素
public abstract short get(int index);
// 将缓冲区中的元素读取到指定短整型数组中
public ShortBuffer get(short[] dst) {
// 调用 get 方法，将缓冲区中元素读取到数组，偏移量为 0，长度为数组长度
return get(dst, 0, dst.length);
}
// 将缓冲区中的元素读取到指定短整型数组的一部分
public ShortBuffer get(short[] dst, int offset, int length) {
// 检查偏移量和长度是否合法，如果不合法则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
checkBounds(offset, length, dst.length);
// 检查缓冲区剩余元素数量是否小于要读取的元素数量，如果小于则抛出 BufferUnderflowException 异常
if (length > remaining())
throw new BufferUnderflowException();
// 循环从缓冲区读取元素并存储到数组指定位置
for (int i = offset; i < offset + length; i++)
dst[i] = get();
return this;
}
get()：这是一个抽象方法，由ShortBuffer的子类实现。其功能是从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素，读取完成后，位置会自动向后移动一位。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了元素
// 读取一个短整型元素
short readValue = buffer.get();
// 输出读取的值
System.out.println("Read value: " + readValue);
get(int index)：同样为抽象方法，用于从缓冲区的指定位置index读取一个短整型元素。这种方式可以让开发者直接访问缓冲区中特定位置的元素。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了足够的元素
// 从索引 3 的位置读取一个短整型元素
short valueAtIndex = buffer.get(3);
// 输出读取的值
System.out.println("Value at index 3: " + valueAtIndex);
get(short[] dst)：该方法将缓冲区中的元素读取到指定的短整型数组dst中。实际上，它调用了get(short[] dst, 0, dst.length)方法，将缓冲区中的元素从起始位置开始，按照数组的长度进行读取。
short[] destinationArray = new short[5];
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了足够的元素
// 从缓冲区读取元素到数组
buffer.get(destinationArray);
// 输出数组中的元素
for (short num : destinationArray) {
System.out.println(num);
}
get(short[] dst, int offset, int length)：此方法将缓冲区中的元素读取到指定短整型数组dst的一部分。首先，会检查传入的偏移量和长度是否合法，如果不合法则抛出IndexOutOfBoundsException异常。接着，检查缓冲区中剩余的元素数量是否足够，如果不够则抛出BufferUnderflowException异常。在确保条件合法的情况下，通过循环从缓冲区中读取元素并存储到数组的指定位置。
short[] partialDestinationArray = new short[3];
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了足够的元素
// 从缓冲区读取元素到数组的一部分
buffer.get(partialDestinationArray, 0, 3);
// 输出数组中的元素
for (short num : partialDestinationArray) {
System.out.println(num);
}
5.2 缓冲区状态管理方法
5.2.1 flip 方法
// 切换缓冲区为读模式
public final Buffer flip() {
// 将限制设置为当前位置
limit = position;
// 将位置重置为 0
position = 0;
// 取消标记
mark = -1;
return this;
}
flip 方法的主要作用是将缓冲区从写模式切换到读模式。它会将限制 limit 设置为当前位置 position，这意味着设置了可以读取的最大元素数量。然后将位置 position 重置为 0，以便从缓冲区的起始位置开始读取数据。最后，将标记 mark 取消，即设置为 -1。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经写入了一些元素
// 切换到读模式
buffer.flip();
5.2.2 rewind 方法
// 重置缓冲区，用于重新读取数据
public final Buffer rewind() {
// 将位置重置为 0
position = 0;
// 取消标记
mark = -1;
return this;
}
rewind 方法用于重置缓冲区，以便重新读取其中的数据。它将位置 position 重置为 0，这样就可以从缓冲区的起始位置再次开始读取。同时，取消标记 mark，将其设置为 -1。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经进行了读取操作
// 重置位置，以便重新读取
buffer.rewind();
5.2.3 clear 方法
// 清空缓冲区，实际上是重置缓冲区状态
public final Buffer clear() {
// 将位置重置为 0
position = 0;
// 将限制设置为容量
limit = capacity;
// 取消标记
mark = -1;
return this;
}
clear 方法的作用是清空缓冲区，实际上是重置缓冲区的状态。它将位置 position 重置为 0，限制 limit 设置为容量 capacity，这意味着可以再次进行写入操作。同时，取消标记 mark，将其设置为 -1。需要注意的是，clear 方法并没有真正清除缓冲区中的数据，只是重置了状态，使得缓冲区可以重新使用。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经使用过
// 清空缓冲区，准备重新写入
buffer.clear();
5.2.4 limit 方法
// 设置缓冲区的限制
public final Buffer limit(int newLimit) {
// 检查新的限制是否合法，如果不合法（小于 0 或大于容量）则抛出 IllegalArgumentException 异常
if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
throw new IllegalArgumentException();
// 更新限制
limit = newLimit;
// 如果位置大于新的限制，将位置设置为新的限制
if (position > newLimit)
position = newLimit;
// 如果标记大于新的限制，取消标记
if (mark > newLimit)
mark = -1;
return this;
}
limit 方法用于设置缓冲区的限制。它首先检查传入的新限制 newLimit 是否合法，如果不合法（小于 0 或大于容量）则抛出 IllegalArgumentException 异常。然后更新限制 limit 为新的值。如果当前位置 position 大于新的限制，将位置设置为新的限制。如果标记 mark 大于新的限制，取消标记，将其设置为 -1。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 设置限制为 8
buffer.limit(8);
5.2.5 position 方法
// 设置缓冲区的位置
public final Buffer position(int newPosition) {
// 检查新的位置是否合法，如果不合法（小于 0 或大于限制）则抛出 IllegalArgumentException 异常
if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
throw new IllegalArgumentException();
// 更新位置
position = newPosition;
// 如果标记大于新的位置，取消标记
if (mark > newPosition)
mark = -1;
return this;
}
position 方法用于设置缓冲区的位置。它会检查传入的新位置 newPosition 是否合法，如果不合法（小于 0 或大于限制）则抛出 IllegalArgumentException 异常。然后更新位置 position 为新的值。如果标记 mark 大于新的位置，取消标记，将其设置为 -1。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 设置位置为 3
buffer.position(3);
5.3 标记相关方法
5.3.1 mark 方法
// 设置标记
public final Buffer mark() {
// 将标记设置为当前位置
mark = position;
return this;
}
mark 方法用于设置标记。它将标记 mark 设置为当前位置 position，以便后续可以通过 reset 方法将位置重置到该标记处。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经移动到了某个位置
// 设置标记
buffer.mark();
5.3.2 reset 方法
// 将位置重置到标记处
public final Buffer reset() {
// 获取标记
int m = mark;
// 检查标记是否合法，如果不合法（小于 0）则抛出 InvalidMarkException 异常
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
// 将位置设置为标记处
position = m;
return this;
}
reset 方法用于将位置重置到标记处。它首先获取标记 mark 的值，然后检查标记是否合法（大于等于 0），如果不合法则抛出 InvalidMarkException 异常。若合法，则将位置 position 设置为标记的值。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer，并且已经设置了标记，然后继续移动了位置
// 重置位置到标记处
buffer.reset();
5.4 其他方法
5.4.1 remaining 方法
// 获取当前位置到限制之间的元素数量
public final int remaining() {
// 计算并返回剩余元素数量
return limit - position;
}
remaining 方法用于获取当前位置到限制之间的元素数量。它通过用限制 limit 减去位置 position 来计算剩余元素的数量。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 获取剩余元素数量
int remainingElements = buffer.remaining();
// 输出剩余元素数量
System.out.println("Remaining elements: " + remainingElements);
5.4.2 hasRemaining 方法
// 判断是否还有剩余元素可供读写
public final boolean hasRemaining() {
// 判断剩余元素数量是否大于 0
return position < limit;
}
hasRemaining 方法用于判断缓冲区中是否还有剩余元素可供读写。它通过比较位置 position 和限制 limit 的大小来判断，如果位置小于限制，则表示还有剩余元素，返回 true，否则返回 false。
// 假设已经创建了一个 ShortBuffer 对象 buffer
// 判断是否还有剩余元素
boolean hasRemaining = buffer.hasRemaining();
// 输出判断结果
System.out.println("Has remaining elements: " + hasRemaining);
六、ShortBuffer 的具体实现类
6.1 HeapShortBuffer
HeapShortBuffer 是 ShortBuffer 的一个具体实现类，它将短整型数据存储在 Java 堆内存中。以下是对 HeapShortBuffer 部分方法的详细分析：
// 定义 HeapShortBuffer 类，继承自 ShortBuffer
class HeapShortBuffer
extends ShortBuffer {
// 存储短整型数据的数组
final short[] hb;
// 数组的偏移量
final int offset;
// 标识缓冲区是否为只读
boolean isReadOnly;
// 构造函数，创建一个指定容量的 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer(int cap, int lim) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, 0, lim, cap);
// 初始化存储短整型数据的数组
hb = new short[cap];
// 初始化数组偏移量
offset = 0;
}
// 构造函数，将指定短整型数组的一部分包装成 HeapShortBuffer 实例
HeapShortBuffer(short[] buf, int off, int len) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, off, off + len, buf.length);
// 初始化存储短整型数据的数组
hb = buf;
// 初始化数组偏移量
offset = 0;
}
// 向缓冲区的当前位置写入一个短整型元素
public ShortBuffer put(short s) {
// 检查缓冲区是否还有剩余空间，如果没有则抛出 BufferOverflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferOverflowException();
// 将元素写入数组的相应位置
hb[ix(position++)] = s;
return this;
}
// 从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public short get
6.1.1 get 方法的实现
// 从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public short get() {
// 检查缓冲区是否还有剩余元素可供读取，如果没有则抛出 BufferUnderflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferUnderflowException();
// 从数组的相应位置读取元素并返回，同时将位置向后移动一位
return hb[ix(position++)];
}
// 从缓冲区的指定位置读取一个短整型元素
public short get(int index) {
// 检查指定的索引是否越界，如果越界则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
checkIndex(index);
// 从数组的指定位置读取元素并返回
return hb[ix(index)];
}
// 辅助方法，计算数组中的实际索引
private int ix(int i) {
return i + offset;
}
get()方法：首先检查当前位置position是否已经达到或超过限制limit，如果是，则说明没有剩余元素可供读取，抛出BufferUnderflowException异常。若有剩余元素，通过ix(position++)计算数组中的实际索引，从数组hb中取出对应位置的短整型元素并返回，同时将位置position向后移动一位。
// 假设已经创建了一个 HeapShortBuffer 对象 heapBuffer 并写入了元素
short value = heapBuffer.get();
System.out.println("Read value: " + value);
get(int index)方法：先调用checkIndex(index)方法检查传入的索引index是否越界，若越界则抛出IndexOutOfBoundsException异常。若索引合法，通过ix(index)计算数组中的实际索引，从数组hb中取出对应位置的短整型元素并返回。
// 假设已经创建了一个 HeapShortBuffer 对象 heapBuffer 并写入了足够元素
short valueAtIndex = heapBuffer.get(2);
System.out.println("Value at index 2: " + valueAtIndex);
ix(int i)方法：这是一个辅助方法，用于计算数组中的实际索引。它将传入的索引i加上偏移量offset，得到数组中对应的实际位置。
6.1.2 put 方法的实现（其他重载形式）
// 向缓冲区的指定位置写入一个短整型元素
public ShortBuffer put(int index, short s) {
// 检查指定的索引是否越界，如果越界则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
checkIndex(index);
// 将元素写入数组的指定位置
hb[ix(index)] = s;
return this;
}
// 将指定 ShortBuffer 中的元素写入当前缓冲区
public ShortBuffer put(ShortBuffer src) {
// 检查源缓冲区是否为当前缓冲区本身，如果是则抛出 IllegalArgumentException 异常
if (src == this)
throw new IllegalArgumentException();
// 检查源缓冲区剩余元素数量是否大于当前缓冲区剩余空间，如果大于则抛出 BufferOverflowException 异常
if (src.remaining() > remaining())
throw new BufferOverflowException();
// 如果源缓冲区也是 HeapShortBuffer 类型
if (src instanceof HeapShortBuffer) {
HeapShortBuffer sb = (HeapShortBuffer)src;
// 计算复制的元素数量
int n = sb.remaining();
// 复制数组元素
System.arraycopy(sb.hb, sb.ix(sb.position()),
hb, ix(position()), n);
// 更新源缓冲区和当前缓冲区的位置
sb.position(sb.position() + n);
position(position() + n);
} else {
// 如果源缓冲区不是 HeapShortBuffer 类型，使用普通的 put 方法逐个复制元素
super.put(src);
}
return this;
}
put(int index, short s)方法：先调用checkIndex(index)方法检查传入的索引index是否越界，若越界则抛出IndexOutOfBoundsException异常。若索引合法，通过ix(index)计算数组中的实际索引，将短整型元素s写入数组的指定位置。
// 假设已经创建了一个 HeapShortBuffer 对象 heapBuffer
heapBuffer.put(3, (short) 40);
put(ShortBuffer src)方法：首先检查源缓冲区是否为当前缓冲区本身，若是则抛出IllegalArgumentException异常。接着检查源缓冲区剩余元素数量是否大于当前缓冲区剩余空间，若大于则抛出BufferOverflowException异常。如果源缓冲区也是HeapShortBuffer类型，通过System.arraycopy方法直接复制数组元素，提高复制效率，同时更新源缓冲区和当前缓冲区的位置。若源缓冲区不是HeapShortBuffer类型，则调用父类的put方法逐个复制元素。
// 假设已经创建了两个 HeapShortBuffer 对象 sourceHeapBuffer 和 destinationHeapBuffer
destinationHeapBuffer.put(sourceHeapBuffer);
6.2 DirectShortBuffer
DirectShortBuffer 是 ShortBuffer 的另一个具体实现类，它使用直接内存存储短整型数据，避免了数据在 Java 堆和本地内存之间的拷贝，在进行 I/O 操作时可能具有更高的性能。以下是对 DirectShortBuffer 部分方法的分析：
// 定义 DirectShortBuffer 类，继承自 ShortBuffer
class DirectShortBuffer
extends ShortBuffer {
// 直接内存地址
private long address;
// 标识缓冲区是否为只读
private boolean isReadOnly;
// 构造函数，创建一个指定容量的 DirectShortBuffer 实例
DirectShortBuffer(int cap) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, 0, cap, cap);
// 分配直接内存
address = unsafe.allocateMemory(cap * 2);
// 初始化直接内存为 0
unsafe.setMemory(address, cap * 2, (byte)0);
}
// 向缓冲区的当前位置写入一个短整型元素
public ShortBuffer put(short s) {
// 检查缓冲区是否还有剩余空间，如果没有则抛出 BufferOverflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferOverflowException();
// 将元素写入直接内存的相应位置
unsafe.putShort(ix(position++), s);
return this;
}
// 从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public short get() {
// 检查缓冲区是否还有剩余元素可供读取，如果没有则抛出 BufferUnderflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferUnderflowException();
// 从直接内存的相应位置读取元素并返回，同时将位置向后移动一位
return unsafe.getShort(ix(position++));
}
// 辅助方法，计算直接内存中的实际地址
private long ix(int i) {
return address + (i << 1);
}
}
6.2.1 构造函数
// 构造函数，创建一个指定容量的 DirectShortBuffer 实例
DirectShortBuffer(int cap) {
// 调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的标记、位置、限制和容量
super(-1, 0, cap, cap);
// 分配直接内存，每个短整型元素占 2 个字节，所以乘以 2
address = unsafe.allocateMemory(cap * 2);
// 初始化直接内存为 0
unsafe.setMemory(address, cap * 2, (byte)0);
}
在构造函数中，首先调用父类 ShortBuffer 的构造函数，初始化缓冲区的基本属性。然后使用 unsafe.allocateMemory(cap * 2) 方法分配指定容量的直接内存，因为每个短整型元素占 2 个字节，所以容量乘以 2。最后，使用 unsafe.setMemory 方法将分配的直接内存初始化为 0。
6.2.2 put 方法
// 向缓冲区的当前位置写入一个短整型元素
public ShortBuffer put(short s) {
// 检查缓冲区是否还有剩余空间，如果没有则抛出 BufferOverflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferOverflowException();
// 将元素写入直接内存的相应位置
unsafe.putShort(ix(position++), s);
return this;
}
put 方法先检查当前位置 position 是否已经达到或超过限制 limit，若超过则抛出 BufferOverflowException 异常。若有剩余空间，通过 ix(position++) 计算直接内存中的实际地址，使用 unsafe.putShort 方法将短整型元素 s 写入该地址，同时将位置 position 向后移动一位。
6.2.3 get 方法
// 从缓冲区的当前位置读取一个短整型元素
public short get() {
// 检查缓冲区是否还有剩余元素可供读取，如果没有则抛出 BufferUnderflowException 异常
if (position >= limit)
throw new BufferUnderflowException();
// 从直接内存的相应位置读取元素并返回，同时将位置向后移动一位
return unsafe.getShort(ix(position++));
}
get 方法首先检查当前位置 position 是否已经达到或超过限制 limit，若超过则抛出 BufferUnderflowException 异常。若有剩余元素，通过 ix(position++) 计算直接内存中的实际地址，使用 unsafe.getShort 方法从该地址读取短整型元素并返回，同时将位置 position 向后移动一位。
6.2.4 ix 方法
// 辅助方法，计算直接内存中的实际地址
private long ix(int i) {
return address + (i << 1);
}
ix 方法是一个辅助方法，用于计算直接内存中的实际地址。它将直接内存的起始地址 address 加上偏移量 (i << 1)，因为每个短整型元素占 2 个字节，所以将索引 i 左移 1 位相当于乘以 2。
6.3 两种实现类的比较
- 内存管理：
HeapShortBuffer将数据存储在 Java 堆内存中，由 Java 虚拟机的垃圾回收机制自动管理内存。这使得内存管理相对简单，但在进行 I/O 操作时，可能需要将数据从 Java 堆复制到本地内存，会有一定的性能开销。DirectShortBuffer使用直接内存存储数据，避免了数据在 Java 堆和本地内存之间的拷贝，在进行 I/O 操作时可能具有更高的性能。但直接内存的管理需要开发者手动处理，若使用不当可能会导致内存泄漏。
- 性能方面：
- 在数据量较小且对性能要求不是特别高的情况下，
HeapShortBuffer由于其内存管理的便利性，使用起来较为简单，性能也能满足需求。 - 在处理大量数据且频繁进行 I/O 操作时，
DirectShortBuffer由于避免了数据拷贝，通常能提供更好的性能。但需要注意的是，直接内存的分配和释放开销相对较大，因此在使用时需要合理控制缓冲区的生命周期。
- 在数据量较小且对性能要求不是特别高的情况下，
- 适用场景：
HeapShortBuffer适用于大多数普通的短整型数据处理场景，尤其是对内存管理要求不高，注重代码简洁性和开发效率的场景。DirectShortBuffer适用于高性能的 I/O 操作场景，如网络编程中的数据传输、文件处理中的大数据块读写等。
七、ShortBuffer 与其他 NIO 组件的协作
7.1 与 ShortChannel 的协作
ShortChannel 是 Java NIO 中用于处理短整型数据的通道接口，ShortBuffer 可以与 ShortChannel 协作，实现短整型数据的高效读写。以下是一个简单的示例代码，展示了 ShortBuffer 与 ShortChannel 的协作过程：
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
public class ShortBufferChannelExample {
public static void main(String[] args) {
// 定义文件路径
Path path = Paths.get("short_data.txt");
try (
// 打开文件通道，以读写模式打开
FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
) {
// 创建一个容量为 10 的 ShortBuffer
ShortBuffer shortBuffer = ShortBuffer.allocate(10);
// 向 ShortBuffer 中写入一些短整型数据
for (int i = 0; i < 5; i++) {
shortBuffer.put((short) i);
}
// 切换到读模式
shortBuffer.flip();
// 将 ShortBuffer 中的数据写入文件通道
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
// 将 ShortBuffer 中的数据转换为 ByteBuffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * shortBuffer.remaining());
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
byteBuffer.putShort(shortBuffer.get());
}
byteBuffer.flip();
// 将 ByteBuffer 中的数据写入文件通道
channel.write(byteBuffer);
}
// 清空 ShortBuffer 并准备读取数据
shortBuffer.clear();
// 从文件通道读取数据到 ShortBuffer
ByteBuffer readByteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * shortBuffer.capacity());
int bytesRead = channel.read(readByteBuffer);
if (bytesRead > 0) {
readByteBuffer.flip();
while (readByteBuffer.hasRemaining()) {
shortBuffer.put(readByteBuffer.getShort());
}
}
// 切换到读模式
shortBuffer.flip();
// 输出读取的数据
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(shortBuffer.get());
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
7.1.1 写入数据
- 首先，创建一个
ShortBuffer并向其中写入一些短整型数据。 - 调用
flip方法将ShortBuffer切换到读模式。 - 由于
FileChannel只能处理ByteBuffer，因此需要将ShortBuffer中的数据转换为ByteBuffer。 - 调用
channel.write方法将ByteBuffer中的数据写入文件通道。
7.1.2 读取数据
- 清空
ShortBuffer并准备读取数据。 - 创建一个
ByteBuffer用于从文件通道读取数据。 - 调用
channel.read方法从文件通道读取数据到ByteBuffer。 - 将
ByteBuffer中的数据转换为短整型数据并存储到ShortBuffer中。 - 调用
flip方法将ShortBuffer切换到读模式。 - 输出
ShortBuffer中读取的数据。
7.2 与 Selector 的协作
Selector 是 Java NIO 中的多路复用器，用于实现高效的 I/O 多路复用。ShortBuffer 可以与 Selector 协作，在网络编程中实现非阻塞的短整型数据读写。以下是一个简单的示例代码，展示了 ShortBuffer 与 Selector 的协作过程：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class ShortBufferSelectorExample {
public static void main(String[] args) {
try (
// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 打开选择器
Selector selector = Selector.open();
) {
// 绑定服务器套接字通道到指定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 注册服务器套接字通道到选择器，监听连接事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
// 选择准备好的通道
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) continue;
// 获取选择键集合
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// 处理连接事件
ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
// 注册套接字通道到选择器，监听读事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 处理读事件
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
// 创建一个容量为 10 的 ShortBuffer
ShortBuffer shortBuffer = ShortBuffer.allocate(10);
// 创建一个 ByteBuffer 用于从套接字通道读取数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * shortBuffer.capacity());
int bytesRead = socketChannel.read(byteBuffer);
if (bytesRead > 0) {
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
shortBuffer.put(byteBuffer.getShort());
}
// 切换到读模式
shortBuffer.flip();
// 输出读取的数据
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(shortBuffer.get());
}
}
}
// 移除已处理的选择键
keyIterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
7.2.1 服务器端初始化
- 打开
ServerSocketChannel并绑定到指定端口。 - 设置
ServerSocketChannel为非阻塞模式。 - 打开
Selector并将ServerSocketChannel注册到Selector，监听连接事件。
7.2.2 事件处理
- 使用
selector.select()方法选择准备好的通道。 - 遍历选择键集合，处理不同的事件：
- 当有新的连接请求时，接受连接并将
SocketChannel注册到Selector，监听读事件。 - 当有数据可读时，创建
ShortBuffer和ByteBuffer，从SocketChannel读取数据到ByteBuffer，再将ByteBuffer中的数据转换为短整型数据存储到ShortBuffer中，最后输出读取的数据。
- 当有新的连接请求时，接受连接并将
7.3 协作的优势
- 高效的数据处理：通过与
ShortChannel和Selector等 NIO 组件协作，ShortBuffer可以实现高效的短整型数据读写操作，避免了传统 I/O 操作中的阻塞和数据拷贝开销。 - 非阻塞 I/O：与
Selector协作可以实现非阻塞的 I/O 操作，提高系统的并发处理能力，使得程序可以同时处理多个连接和读写请求。 - 灵活性：
ShortBuffer可以与不同的 NIO 组件组合使用，根据具体的应用场景选择合适的协作方式，满足多样化的需求。
八、性能优化与注意事项
8.1 性能优化策略
8.1.1 缓冲区大小选择
选择合适的缓冲区大小对于提高 ShortBuffer 的性能至关重要。如果缓冲区过小，会导致频繁的读写操作，增加系统开销；如果缓冲区过大，会浪费内存资源。在实际应用中，需要根据具体的业务场景和数据量来选择合适的缓冲区大小。例如，在处理大量短整型数据的文件读写时，可以根据文件的大小和系统的内存情况，选择一个较大的缓冲区，以减少读写次数，提高性能。
// 根据实际情况选择合适的缓冲区大小
ShortBuffer buffer = ShortBuffer.allocate(1024);
8.1.2 批量读写操作
尽量使用批量读写操作，避免频繁的单元素读写。ShortBuffer 提供了 put(short[] src) 和 get(short[] dst) 等批量读写方法，这些方法可以一次性处理多个短整型元素，减少了方法调用的开销，提高了读写效率。
short[] array = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用批量写入方法
buffer.put(array);
8.1.3 缓冲区池的使用
在高并发场景下，频繁地创建和销毁 ShortBuffer 实例会带来一定的性能开销。可以使用缓冲区池来管理 ShortBuffer 实例，避免频繁的对象创建和销毁。例如，可以使用 ArrayBlockingQueue 来实现一个简单的缓冲区池。
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
public class ShortBufferPool {
private final ArrayBlockingQueue<ShortBuffer> pool;
public ShortBufferPool(int capacity, int bufferSize) {
pool = new ArrayBlockingQueue<>(capacity);
for (int i = 0; i < capacity; i++) {
pool.add(ShortBuffer.allocate(bufferSize));
}
}
public ShortBuffer borrowBuffer() throws InterruptedException {
return pool.take();
}
public void returnBuffer(ShortBuffer buffer) {
buffer.clear();
pool.add(buffer);
}
}
使用示例：
ShortBufferPool pool = new ShortBufferPool(10, 1024);
try {
ShortBuffer buffer = pool.borrowBuffer();
// 使用缓冲区
// ...
pool.returnBuffer(buffer);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
8.1.4 选择合适的实现类
根据具体的应用场景选择合适的 ShortBuffer 实现类。如果对性能要求不是特别高，且注重内存管理的便利性，可以选择 HeapShortBuffer；如果需要处理大量数据且频繁进行 I/O 操作，对性能要求较高，可以选择 DirectShortBuffer。
// 使用 HeapShortBuffer
ShortBuffer heapBuffer = ShortBuffer.allocate(100);
// 使用 DirectShortBuffer（需要通过 Unsafe 等方式创建）
// ...
8.2 注意事项
8.2.1 缓冲区状态管理
在使用 ShortBuffer 时，需要注意缓冲区的状态管理。特别是在进行读写模式切换时，要及时调用 flip()、rewind() 和 clear() 等方法，确保缓冲区的状态正确。例如，在写入数据后，需要调用 flip() 方法将缓冲区切换到读模式，才能正确读取数据。
// 写入数据
buffer.put((short) 1);
buffer.put((short) 2);
// 切换到读模式
buffer.flip();
// 读取数据
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.println(buffer.get());
}
8.2.2 线程安全问题
ShortBuffer 本身不是线程安全的，如果多个线程同时对同一个 ShortBuffer 进行读写操作，可能会导致数据不一致或其他并发问题。在多线程环境下使用 ShortBuffer 时，需要采取适当的同步措施，如使用 synchronized 关键字或 ReentrantLock 等。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ThreadSafeShortBuffer {
private final ShortBuffer buffer;
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public ThreadSafeShortBuffer(ShortBuffer buffer) {
this.buffer = buffer;
}
public void put(short s) {
lock.lock();
try {
buffer.put(s);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public short get() {
lock.lock();
try {
return buffer.get();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
使用示例：
ShortBuffer originalBuffer = ShortBuffer.allocate(10);
ThreadSafeShortBuffer safeBuffer = new ThreadSafeShortBuffer(originalBuffer);
// 在多线程中使用 safeBuffer
// ...
8.2.3 内存泄漏问题
如果使用 DirectShortBuffer，需要特别注意内存泄漏问题。直接内存的管理需要开发者手动处理，若忘记释放直接内存，会导致内存泄漏。可以在不再使用 DirectShortBuffer 时，调用 Cleaner 或其他方式手动释放直接内存。
import sun.misc.Cleaner;
import sun.nio.ch.DirectBuffer;
public class DirectBufferCleaner {
public static void clean(DirectBuffer buffer) {
if (buffer != null) {
Cleaner cleaner = ((DirectBuffer) buffer).cleaner();
if (cleaner != null) {
cleaner.clean();
}
}
}
}
使用示例：
import java.nio.ShortBuffer;
import sun.nio.ch.DirectShortBuffer;
// 创建 DirectShortBuffer
ShortBuffer directBuffer = (ShortBuffer) java.nio.ShortBuffer.allocateDirect(10);
// 使用 directBuffer
// ...
// 释放直接内存
DirectBufferCleaner.clean((DirectBuffer) directBuffer);
8.2.4 编码问题
在处理短整型数据时，需要注意编码问题。确保在读写操作中使用一致的编码方式，避免因编码不一致导致数据错误。特别是在与其他系统或设备进行数据交互时，要明确数据的编码格式。
九、实际应用案例
9.1 音频处理
在音频处理领域，短整型数据经常用于表示音频样本。ShortBuffer 可以高效地存储和处理这些音频样本，以下是一个简单的音频处理示例：
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ShortBuffer;
public class AudioProcessingExample {
public static void main(String[] args) {
try (
// 打开音频文件输入流
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("input_audio.raw"));
// 打开音频文件输出流
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("output_audio.raw"));
) {
// 创建一个容量为 1024 的 ShortBuffer
ShortBuffer buffer = ShortBuffer.allocate(1024);
// 创建一个 ByteBuffer 用于从输入流读取数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * buffer.capacity());
int bytesRead;
while ((bytesRead = fis.getChannel().read(byteBuffer)) > 0) {
byteBuffer.flip();
// 将 ByteBuffer 中的数据转换为短整型数据存储到 ShortBuffer 中
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
buffer.put(byteBuffer.getShort());
}
buffer.flip();
// 简单的音频处理：将每个样本值乘以 2
while (buffer.hasRemaining()) {
short sample = buffer.get();
sample *= 2;
// 将处理后的样本值写回 ByteBuffer
byteBuffer.putShort(sample);
}
byteBuffer.flip();
// 将处理后的 ByteBuffer 中的数据写入输出流
fos.getChannel().write(byteBuffer);
// 清空缓冲区
buffer.clear();
byteBuffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
9.1.1 读取音频数据
- 打开音频文件输入流和输出流。
- 创建
ShortBuffer和ByteBuffer。 - 从输入流读取数据到
ByteBuffer，再将ByteBuffer中的数据转换为短整型数据存储到ShortBuffer中。
9.1.2 音频处理
- 对
ShortBuffer中的每个音频样本进行简单的处理，例如将样本值乘以 2。 - 将处理后的样本值写回
ByteBuffer。
9.1.3 写入处理后的数据
- 将处理后的
ByteBuffer中的数据写入输出流。
9.2 网络编程
在网络编程中，ShortBuffer 可以用于传输短整型数据，以下是一个简单的网络编程示例：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ShortBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NetworkProgrammingExample {
public static void main(String[] args) {
try (
// 打开套接字通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
) {
// 连接到服务器
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
// 创建一个容量为 10 的 ShortBuffer
ShortBuffer shortBuffer = ShortBuffer.allocate(10);
// 向 ShortBuffer 中写入一些短整型数据
for (int i = 0; i < 5; i++) {
shortBuffer.put((short) i);
}
// 切换到读模式
shortBuffer.flip();
// 创建一个 ByteBuffer 用于将 ShortBuffer 中的数据转换为字节数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * shortBuffer.remaining());
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
byteBuffer.putShort(shortBuffer.get());
}
byteBuffer.flip();
// 将 ByteBuffer 中的数据写入套接字通道
socketChannel.write(byteBuffer);
// 清空 ShortBuffer 并准备读取数据
shortBuffer.clear();
// 创建一个 ByteBuffer 用于从套接字通道读取数据
byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2 * shortBuffer.capacity());
int bytesRead = socketChannel.read(byteBuffer);
if (bytesRead > 0) {
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
shortBuffer.put(byteBuffer.getShort());
}
}
// 切换到读模式
shortBuffer.flip();
// 输出读取的数据
while (shortBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(shortBuffer.get());
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
9.2.1 客户端连接
- 打开
SocketChannel并连接到服务器。
9.2.2 发送数据
- 创建
ShortBuffer并向其中写入短整型数据。 - 将
ShortBuffer中的数据转换为ByteBuffer中的字节数据。 - 将
ByteBuffer中的数据写入套接字通道。
9.2.3 接收数据
- 清空
ShortBuffer并准备读取数据。 - 从套接字通道读取数据到
ByteBuffer。 - 将
ByteBuffer中的数据转换为短整型数据存储到ShortBuffer中。 - 输出读取的数据。
9.3 图像处理
在某些图像处理算法中，可能会使用短整型数据来表示图像的像素值。ShortBuffer 可以作为存储和处理这些像素值的缓冲区，以下是一个简单的图像处理示例：
import java.nio.ShortBuffer;
public class ImageProcessingExample {
public static void main(String[] args) {
// 假设图像的宽度和高度
int width = 100;
int height = 100;
// 创建一个 ShortBuffer 用于存储图像像素值
ShortBuffer pixelBuffer = ShortBuffer.allocate(width * height);
// 初始化图像像素值
for (int i = 0; i < width * height; i++) {
pixelBuffer.put((short) (i % 256));
}
// 简单的图像处理：将每个像素值加 10
pixelBuffer.rewind();
while (pixelBuffer.hasRemaining()) {
short pixel = pixelBuffer.get();
pixel += 10;
// 将处理后的像素值写回缓冲区
pixelBuffer.put(pixel);
}
// 输出处理后的像素值
pixelBuffer.rewind();
while (pixelBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(pixelBuffer.get());
}
}
}
9.3.1 初始化图像像素值
- 根据图像的宽度和高度创建
ShortBuffer。 - 初始化
ShortBuffer中的像素值。
9.3.2 图像处理
- 对
ShortBuffer中的每个像素值进行简单的处理，例如将像素值加 10。 - 将处理后的像素值写回
ShortBuffer。
9.3.3 输出处理后的像素值
- 重置
ShortBuffer的位置，输出处理后的像素值。
十、常见问题及解决方案
10.1 缓冲区溢出和下溢问题
10.1.1 问题描述
在使用 ShortBuffer 进行读写操作时，如果不注意缓冲区的状态，可能会出现缓冲区溢出（Buffer Overflow）和缓冲区下溢（Buffer Underflow）问题。缓冲区溢出是指在写入数据时，写入的数据量超过了缓冲区的剩余空间；缓冲区下溢是指在读取数据时，读取的数据量超过了缓冲区中剩余的有效数据量。
10.1.2 解决方案
为了避免缓冲区溢出和下溢问题，需要在进行读写操作前检查缓冲区的状态。可以使用 remaining() 方法获取缓冲区的剩余空间或剩余有效数据量，然后根据需要进行相应的处理。例如，在写入数据前，检查 remaining() 的返回值是否足够容纳要写入的数据；在读取数据前，检查 remaining() 的返回值是否大于等于要读取的数据量。
// 写入数据前检查缓冲区剩余空间
if (buffer.remaining() >= data.length) {
buffer.put(data);
} else {
System.out.println("缓冲区空间不足，无法写入数据");
}
// 读取数据前检查缓冲区剩余有效数据量
if (buffer.remaining() >= lengthToRead) {
for (int i = 0; i < lengthToRead; i++) {
System.out.println(buffer.get());
}
} else {
System.out.println("缓冲区有效数据不足，无法读取数据");
}
10.2 线程安全问题
10.2.1 问题描述
ShortBuffer 本身不是线程安全的，如果多个线程同时对同一个 ShortBuffer 进行读写操作，可能会导致数据不一致或其他并发问题。例如，一个线程正在写入数据，而另一个线程同时进行读取操作，可能会读取到不完整或错误的数据。
