最近在忙hadoop-common項目的國密算法適配，其中有涉及到一個基本問題引起我的注意，就是bytebuffer和byte[]的轉化，網上的資料太繁雜，而且大多數感覺沒講清楚，我在這裏做下整理。而且想到面試的時候的一道經典面試題就是如何設計緩存，正好藉着這個機會一起歸總一下。這篇應該門檻不高，不過也需要一些java nio和緩存的基礎，所以放到後臺裏面了。
一，什麼是ByteBuffer？
關於緩存
首先簡單提一下什麼是緩存，有這麼一個例子：
從硬盤disk到內存memory之間有很長一段路要走，我們要把數據從disk搬到memory的消耗會很大，這嚴重影響了計算機的性能
disk ------------------------------------------------------> memory
這個時候，如果想提高效率，就要在中途設計一個緩存buffer來減少搬運的消耗，需要的話我可以直接從buffer中取，像這樣
disk------------------------------------->buffer----------->memory
當然，這只是一個簡單的模型，具體Java多線程的場景緩存的用法會更復雜一些，這裏不再贅述。
Java爲8種類型都提供了自己的buffer類型，這裏講最常用的ByteBuffer，ByteBuffer在java.nio這個包中繼承了buffer類。學習java最好的方式是源碼，我們就從源碼入手來剖析ByteBuffer到底是什麼，
ByteBuffer種類
首先，ByteBuffer分爲direct直接讀寫buffer和non-direct非直接讀寫的buffer。瞭解這個其實和ByteBuffer的底層架構有關係：
fig.1 ByteBuffer繼承結構
這裏邊的HeapByteBuffer是在jvm堆上面的一個buffer，底層的本質是一個數組，由於內容維護在jvm裏，所以把內容寫進buffer裏速度會快些；並且，可以更容易回收，外設讀取jvm堆裏的數據時，不是直接讀取的，而是把jvm裏的數據讀到一個內存塊裏，再在這個塊裏讀取的；
而ByteBuffer也可以選擇支持通過JNI從本機代碼創建直接字節緩衝區，DirectByteBuffer的底層的數據其實是維護在操作系統的內存中，而不是jvm裏，DirectByteBuffer裏可以通過將文件的區域直接映射到內存中來創建，使用directByteBuffer跟外設（IO設備）打交道時會快很多，可以省去讀取內存塊這一步，實現零拷貝。
ByteBuffer可以通過isDirect()方法返回值來判定是否是direct型的。
這裏省略講解Java基於ByteBuffer的大小端轉換來訪問二進制數據。
ByteBuffer屬性及構造方法
// Creates a new buffer with the given mark, position, limit, capacity,
// backing array, and array offset
//
ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap, // package-private
byte[] hb, int offset)
{
super(mark, pos, lim, cap);
this.hb = hb;
this.offset = offset;
}
// Creates a new buffer with the given mark, position, limit, and capacity
//
ByteBuffer(int mark, int pos, int lim, int cap) { // package-private
this(mark, pos, lim, cap, null, 0);
}
byte[] buff //buff即內部用於緩存的數組。
position //position類似於讀寫指針，表示當前讀(寫)到什麼位置
mark //爲某一讀過的位置做標記，便於某些時候回退到該位置。可以用於mark()/reset()
capacity //初始化時候的容量。Capacity在讀寫模式下都是固定的，就是我們分配的緩衝大小。
limit //當寫數據到buffer中時，limit一般和capacity相等，在讀模式下表示最多能讀多少數據，此時和緩存中的實際數據大小相同。
offset //當前數據的偏移
基本操作
put
寫模式下，往buffer裏寫一個字節，並把postion移動一位。寫模式下，一般limit與capacity相等。
flip
寫完數據，需要開始讀的時候，將postion復位到0，並將limit設爲當前postion。也就是說調用flip之後，讀寫指針指到緩存頭部，並且設置了最多隻能讀出之前寫入的數據長度(而不是整個緩存的容量大小)。
get
從buffer裏讀一個字節，並把postion移動一位。上限是limit，即寫入數據的最後位置。
clear
將position置爲0，並不清除buffer內容。
常規方法
ByteBuffer allocate(int capacity) 創建一個指定capacity的ByteBuffer。
ByteBuffer allocateDirect(int capacity) 創建一個direct的ByteBuffer，這樣的ByteBuffer在參與IO操作時性能會更好
ByteBuffer wrap(byte [] array)
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length) 把一個byte數組或byte數組的一部分包裝成ByteBuffer。新buffer的capacity是array的長度，offset=postion，mark未定義，limit和原定義一樣
byte get(int index)
ByteBuffer put(byte b)
int getInt() 從ByteBuffer中讀出當前position標誌的下4個字節組成一個int值。
ByteBuffer putInt(int value) 寫入一個int值到ByteBuffer中。get和put其他類型的以此類推
特殊方法
Buffer clear() 把position設爲0，把limit設爲capacity，一般在把數據寫入Buffer前調用。
Buffer flip() 把limit設爲當前position，把position設爲0，一般在從Buffer讀出數據前調用。
Buffer rewind() 把position設爲0，limit不變，一般在把數據重寫入Buffer前調用。
compact() 將 position 與 limit之間的數據複製到buffer的開始位置，複製後 position = limit -position,limit = capacity, 但如 果position 與limit 之間沒有數據的話發，就不會進行復制。
mark() & reset() 通過調用Buffer.mark()方法，可以標記Buffer中的一個特定position。之後可以通過調用Buffer.reset()方法恢復到這個position。
同時ByteBuffer還提供瞭如下所示的鏈式調用以及和其他類型buffer轉換的接口
bb.putInt(0xCAFEBABE).putShort(3).putShort(45);
二，ByteBuffer到底怎麼和byte[]互轉？
如果第一節的東西領會了，就知道我們現在面對的這個問題其實就是一個調用buffer讀寫的問題，解決方法也顯而易見。拿密碼的加解密做例子：
// byte[]轉化成ByteBuffer
public ByteBuffer encodeValue(byte[] value) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(value);
return byteBuffer;
}
// ByteBuffer轉化成byte[]
public byte[] decodeValue(ByteBuffer bytes) {
int len = bytes.limit() - bytes.position();
byte[] bytes1 = new byte[len];
bytes.get(bytes1);
return bytes1;
}
byte[]轉化成ByteBuffer，直接使用ByteBuffer封裝好的wrap方法；Buffer轉成byte[]，先確定好我們需要的數組長度，然後調用get方法。
又上邊的ByteBuffer轉byte[]，我們可以再思考一個問題，怎麼判斷兩個ByteBuffer中的值相等？
ByteBuffer中的equals方法是這麼寫的：
/* <p> A byte buffer is not equal to any other type of object. </p>
*
* @param ob The object to which this buffer is to be compared
*
* @return <tt>true</tt> if, and only if, this buffer is equal to the
* given object
*/
public boolean equals(Object ob) {
if (this == ob)
return true;
if (!(ob instanceof ByteBuffer))
return false;
ByteBuffer that = (ByteBuffer)ob;
if (this.remaining() != that.remaining())
return false;
int p = this.position();
for (int i = this.limit() - 1, j = that.limit() - 1; i >= p; i--, j--)
if (!equals(this.get(i), that.get(j)))
return false;
return true;
}
其實就是通過position和limit指針，比較緩存remaining元素是否相等，把remaining部分的byte一個一個取出比較判斷。
由此我的問題解決了，操作buffer類的對象時要想到buffer是怎麼讀怎麼寫，怎麼調用方法的，才能合理正確的使用和應對buffer帶來的問題，不能只看方法名自己去臆想。
三，如何設計緩存？
那麼，我們再把問題昇華一下，看了這麼多我們應該如何設計緩存呢？
起初我的想法是設計緩存=選擇合理的數據結構執行讀寫操作。瞭解過Java實現的ByteBuffer之後感覺瞭解要更深刻而去buffer設計絕不止於此。我們在這抽取關鍵信息，整理一下設計怎麼設計緩存的思路。
1. 首先我們要選擇合適的緩存屬性和構造方法
爲了配合讀寫位置的控制，要有讀寫指針，通常的實現是有一個讀指針，有一個寫指針。每次要解決它們相遇問題重新調整或拋異常。現在我們可以仿造java的buffer進行讀寫的切換，最簡單構造一個position指針和limit指針就好了。
2. 然後我們要滿足buffer的基本需求就是要實現數據的讀寫，落到實現上就是get/put方法
數據可以存在內存中的數據結構，你可以直接調用數據結構封裝好的get和put方法。如果能力可以的話，可以仿造java的direct buffer和JVM buffer實現底層一點，粘個例子：
public ByteBuffer get(byte[] dst, int offset, int length) {
checkBounds(offset, length, dst.length);
if (length > remaining())
throw new BufferUnderflowException();
System.arraycopy(hb, ix(position()), dst, offset, length);
position(position() + length);
return this;
}
不過一般的話，你也要考慮讀寫過程中的問題，比如檢查邊界，調整position，拋出異常等。
3. 這還沒完，有了讀寫方法，還要考慮讀寫的切換，ByteBuffer的主體結構是
allocate -> 分配capacity（可以使用構造方法）
flip -> 寫換讀 limit=position position=0
rewind -> 讀換寫 position = 0
clear -> 指針歸位
以上就可以完成一個簡單的緩存設計了。
參考資料：
1. https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/nio/ByteBuffer.html