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Android中直播視頻技術探究之---基礎核心類ByteBuffer解析

編輯：關於Android編程

一、前言

前一篇文章我們介紹了Android中直播視頻技術的基礎大綱知識，這裡就開始一一講解各個知識點，首先主要來看一下視頻直播中的一個重要的基礎核心類：ByteBuffer，這個類看上去都知道了，是字節緩沖區處理字節的，這個類的功能非常強大，也在各個場景都有用到，比如網絡數據底層處理，特別是結合網絡通道信息處理的時候，還有就是後面要說到的OpenGL技術也要用到，當然在視頻處理中也是很重要的，因為要處理視頻流信息，比如在使用MediaCodec進行底層的視頻流編碼的時候，處理的就是字節，我們如果單純的借助字節數組來進行操作的話，首先效率有很大的問題，其次是數組最大的問題就是擔心越界報異常等信息，這個在處理的時候特別麻煩，所以Java中就有類似的高效率的處理字節的封裝類：ByteBuffer

二、ByteBuffer原理

關於這個類，其實他有兩個子類：一個是HeapByteBuffer和DirectByteBuffer關於這兩個類的區別很好理解：

DirectByteBuffer不是分配在堆上的，它不被GC直接管理（但Direct Buffer的JAVA對象是歸GC管理的，只要GC回收了它的JAVA對象，操作系統才會釋放Direct Buffer所申請的空間），它似乎給人感覺是“內核緩沖區（buffer in kernel）”。HeapByteBuffer則是分配在堆上的，或者我們可以簡單理解為Heap Buffer就是byte[]數組的一種封裝形式，查看JAVA源代碼實現，HeapByteBuffer也的確是這樣。說白了就是HeapByteBuffer是在JVM堆內存中分配會被JVM管理回收，但是DirectByteBuffer是直接由系統內存進行分配，不被JVM管理。通過上面的區別看到：

1、創建和釋放DirectByteBuffer的代價比HeapByteBuffer得要高，因為JVM堆中分配和釋放內存肯定比系統分配和創建內存高效

2、因為平時的read/write，都會在I/O設備與應用程序空間之間經歷一個“內核緩沖區”。 DirectByteBuffer就好比是“內核緩沖區”上的緩存，不直接受GC管理；而Heap Buffer就僅僅是byte[]字節數組的包裝形式。因此把一個Direct Buffer寫入一個Channel的速度要比把一個HeapByteBuffer寫入一個Channel的速度要快。

所以這兩個類操作起來各有好處，要視情況而定，一般如果是一個ByteBuffer經常被重用的話，就可以使用DirectByteBuffer對象。如果是需要經常釋放和分配的地方用HeapByteBuffer對象。

下面來通過他們的源碼來確定內存分配原理，首先是HeapByteBuffer對象：

看到了，這裡直接使用了byte數組的，Java中的數組都是在JVM的堆內存中進行分配的。

再來看看DirectByteBuffer對象：

內部直接使用了Unsafe類對象，關於這個類：

Java不能直接訪問操作系統底層，而是通過本地方法來訪問。Unsafe類提供了硬件級別的原子操作，主要提供了以下功能：
1》、通過Unsafe類可以分配內存，可以釋放內存；
類中提供的3個本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分別用於分配內存，擴充內存和釋放內存，與C語言中的3個方法對應：

public native long allocateMemory(long l);
public native long reallocateMemory(long l, long l1);
public native void freeMemory(long l);
2》、可以定位對象某字段的內存位置，也可以修改對象的字段值，即使它是私有的。

從上面源碼分析可以得知HeapByteBuffer對象是直接操作堆中的字節數組對象的，而DirectByteBuffer對象是直接操作系統內存的。

好了上面分析了ByteBuffer的兩個子類，這兩個子類會通過兩個方法來獲取的：

一個是allocate方法獲取到HeapByteBuffer：

一個是allocateDirect方法獲取到DirectByteBuffer：

這兩個方法的使用在後面會詳細說明。

不管是HeapByteBuffer還是DirectByteBuffer，他們操作字節的方法都是相同的，因為都是繼承ByteBuffer類，大部分操作字節的方法都在這個父類中定義的。後續的例子中就用HeapByteBuffer類來做演示，先來大致分析一下HeapByteBuffer的工作原理，看一下他的取出一個字節的方法：

這個hb對象是在父類ByteBuffer中定義的：

好了，看到了，其實hb就是一個字節數組，所以說HeapByteBuffer是在JVM的堆內存中分配的，我們再看看DirectByteBuffer類的get方法：

這裡直接使用Unsafe對象進行操作的，並沒有使用hb字節數組。

三、ByteBuffer的四大類操作方法

上面分析了ByteBuffer有兩個重要的子類來進行操作字節，他們兩個各有優勢也有很大的區別，然後分析了他們兩個類在處理字節的基本原理。下面就借助HeapByteBuffer這個子類來介紹ByteBuffer中一些操作字節的方法，這裡大致分為四類：

第一類：字節數組 "指針" 操作

因為Java中沒有指針的概念，但是為了下面內容講解方便，這裡就引用了指針的名詞。先來看一下圖解：

這張圖中我們可以看到在操作ByteBuffer的時候，有四個指針來進行操作：

capacity指針：這個指針是在調用allocate方法分配完內存之後直接指向字節數組的末尾，不會在發生改變的，除非再次調用allocate方法重新分配內存大小。

limit指針：這個指針在初始化分配內存的時候和capacity指針一樣，指向數組的末尾，但是這個指針是會發生改變的，有一個limit方法可以設置他的值。同時像flip，clear等方法也會改變他的值。它更像是數組的一個有效數據的范圍上限指針。limit<=capacity

position指針：這個指針是指向當前有效數據的起始位置，在初始化分配內存的時候指向數組的起始位置，後續可以通過position方法進行設置，同時他在很多地方都會發生改變，特別是在讀寫數據方法get,put的時候，每次讀寫一次，指針就加一，直到遇到了limit指針，position<=limit；所以可以看到整個數組中只有position-limit之間的數據是有效的，是可以進行讀寫操作的。

mark指針：這個指針在初始化的時候就是-1，起到一個數組指針不合法的哨兵作用，只要不調用mark方法，他的值一直是-1，最主要的是對position進行標記作用，有時候有一種需求就是想臨時保存一下當前讀寫指針position的值，因為position隨時都會發生改變，但是有時候還想再回來，那麼mark指針就是這個作用，用來標記position的前一個狀態，對應的方法是mark，還原方法是reset，這個指針只有在mark方法，clear，flip等方法會發生變化。mark<=position

通過上面的四個指針分析之後，發現有了mark和limit指針，我們不會擔心數組越界的問題了，有了position指針我們能夠很簡單的操作數組數據，效率也高。

下面通過一個代碼來驗證這些方法的具體作用：

1、首先看一下打印ByteBuffer中四個指針的方法，這裡ByteBuffer都提供了position，limit，capacity三個指針的訪問方法，但是mark指針沒有，所以這裡需要用反射去操作，注意的是，我們allocate出來的是HeapByteBuffer對象，但是這四個指針都是定義在Buffer類中的，HeapByteBuffer->ByteBuffer->Buffer

下面來看一個這些方法的操作案例：

1、allocate方法

這裡首先調用allocate方法分配10個大小的內存，然後從起始位置開始寫入5個數據，再次調用flip方法准備讀狀態，然後在從起始位置讀取四個數據，運行結果如下：

2、flip方法

這裡看到了，在put完數據之後，position就變成了5了，所以需要調用flip方法來改變狀態，才能正確的讀到剛剛寫入的數據，假設這裡不調用flip方法：

看到了，讀取出來的數據都是髒數據0，而且看到position變成了5+4=9了。所以在每次讀寫之後一定要記得改變狀態，改變狀態有flip，rewind，clear這三種方法，但是flip方法是最合理的。因為他把有效數據的末尾指針position賦值給了limit指針。

看一下flip源碼：

3、put方法

再來看一下put方法：

使用直接索引的方式寫入字節數組，看看nextPutIndex方法：

看到了position++了，所以所有put方法都會改變position的值。

同樣的get方法是同理，這裡不再解釋了。

4、clear方法

後續的代碼，我們使用了put方法直接寫入一個字節數組，但是在之前我們使用了clear方法來設置狀態，下面來看看clear源碼：

這時候就相當於到了起始狀態了：來看看put方法源碼：

其實內部實現很簡單，就是把源字節數組copy到hb中，然後position=position+length即可。

5、rewind方法

然後調用rewind方法設置狀態，准備後面的讀取數據，看一下rewind方法源碼：

這裡直接把position清零，這樣才能正確的讀取到剛剛的那個寫入的數據，但是這個方法有一個問題，也就是和flip不同的地方，我們下面來改一下代碼：

這裡看到，我們上面寫入了5個數據，但是調用rewind方法之後，再去讀6個數據，這時候肯定不會出現錯誤的，但是會讀取髒數據：

因為limit=capacity=10，但是flip方法就會把limit設置成position，不會讀出髒數據的，所以flip和rewind方法的區別。

6、position和limit方法

這裡我們還可以手動去設置position和limit值，做到我們想要的想過，比如這裡可以模仿clear方法：

看到了，這裡手動的將狀態設置初始狀態，打印結果：

7、mark和reset方法

下面再來看一下mark和reset方法的使用效果：

首先調用mark把mark設置position=0，然後在去操作position值，最後在調用reset進行復位，position又等於0了，看一下運行結果：

8、remaining和hasRemaining方法

再來看一下ByteBuffer容量剩余的方法remaining和hasRemaining：

hasRemaining方法就是判斷ByteBuffer有沒有到上限，即position是否大於limit，看看方法的源碼：

同時還有一個remaining方法獲取當前剩余的范圍值，就是limit-position的值，看看源碼：

看看上面的運行結果：

好了，上面就看到了所有的關於ByteBuffer四個指針的操作方法，下面來總結一下：

1、四個指針：mark，position，limit，capacity，他們之間的關系：mark<=position<=limit<=capacity

2、allocate分配方法可以改變capacity的值

3、flip，limit，clear，allocate方法可以改變limit的值

4、put，get，flip，clear，rewind，position，reset等讀寫數據的方法都會改變position的值

5、mark，flip，clear，rewind等方法會改變mark的值

6、capacity，limit，position是可以通過方法獲取到值的，其中limit，position方法可以直接改變limit和position的值

7、hasRemaining和remaining方法是用來判斷當前ByteBuffer中還有多少空間可以使用，一般先判斷hasRemaining是否有空，如果沒有空間的話，在把capacity設置成limit的，使用limit(buff.capacity)方法設置即可。如果在超出的話，就需要重新分配空間了。

第二類：內存分配功能解析

這裡主要來介紹一下ByteBuffer的內存分配內容，在之前其實已經介紹了關於allocate和allocateDirect方法的區別了，其實還有一個重要方法就是wrap方法，下面先來看一下圖簡介：

下面來看一下代碼：

1、allocate和allocateDirect方法

這裡首先查看JVM內存大小，然後在使用allocate方法分配一個大內存，在查看JVM內存大小，然後在使用allocateDirect方法分配一個大內存，在查看JVM內存大小，看看打印結果：

看到了，在調用了allocate方法之後，JVM內存發生了變化，但是allocateDirect方法沒有，還是之前allocate方法執行完之後的內存大小。

2、wrap方法

然後在看看wrap方法進行內存分配，同時進行寫數據，首先來看一下wrap的源碼：

這裡看到了，直接構造一個HeapByteBuffer對象返回了，傳入的array就直接賦值給了全局數組hb了，看看構造方法：

構造方法中，前四個參數就是mark,position,limit,capacity的值了，從這裡看到，position就是wrap中需要傳遞字節數組的有效數據的開始索引，limit就是有效數據的上限，capacity就是整個數組的大小了，這樣看來其實是很合理的，我們調用wrap方法之後看結果：

看到了，這裡的position和limit值就是數組起始位置和結束位置。同時修改了字節數組的第11個值，然後ByteBuffer內容也被影響進行了修改了。

所以看到wrap方法有這幾個特點：

1、他的功相當於是allocate+put方法的結合，同時分配內存，也寫入數據了。

2、寫入的字節數據和ByteBuffer內容在堆中是一份數據的，相互影響的，所以這個方法在使用的時候需要特別小心，注意數據的有效性，同時這個方法因為是直接操作堆內存的，所以返回的就是HeapByteBuffer對象了。

3、通過傳遞的字節數組的offset和len值，來設置mark,position,limit,capacity的大小了

第三類：子Buffer操作

ByteBuffer中操作子Buffer的方法大致是四個：slice，duplicate，array，get；下面來看一下圖解吧：

看到上面的圖之後，發現這四個方法其實比較起來就三個方面：拷貝的內容范圍，會影響源內容，執行完之後會影響源內容的position和limit值；

1、slice方法

下面通過代碼來看看，首先看一下slice方法：

slice方法其實就是copy一個原來的ByteBuffer的position-limit之間的有效數據，所以如果你想拷貝那一段數據，需要提前設置position和limit值，同時看看slice內容和源內容是否相互影響，看一下運行結果：

再來看一下slice源碼：

看到源碼就知道了，和源ByteBuffer共用一個hb，只是改變了position和limit,capacity的值，內容肯定是相互影響的。但是沒有影響到了源ByteBuffer的position和limit值。

2、duplicate方法

再來看一下duplicate方法，這個方法是直接拷貝源ByteBuffer的一個副本，不僅把所有的內容拷貝過來，而且還把mark,position,limit,capacity也全部拷貝過來了：

看一下運行結果：

在來看一下duplicate的源碼：

這個構造方法直接把hb賦值過去，同時設置源ByteBuffer的所有標記指針值。所以內容肯定也是相互影響的。但是沒有影響到了源ByteBuffer的position和limit值。

3、array方法

再來看一下array方法，這個方法也是拷貝所有的內容到一個字節數組中：

運行結果看看：

下面來看看源碼：

這個方法很簡單，直接返回了ByteBuffer全局的字節數組hb，那麼內容肯定是相互影響的，但是沒有影響到了源ByteBuffer的position和limit值。

4、get方法

最後再來看一個get方法，他是拷貝源ByteBuffer的position到limit之間的有效數據內容的：

看看運行結果：

查看源碼：

源碼中可以看到，內部使用了get方法讀取一個字節，然後存放到新的字節數組中，那麼這樣看來就不會內容之間相互影響了，但是因為調用了get方法，所以position值會遞增的。

看完了上面的四個方法，下面就來總結一下吧：

1》、slice方法獲取的是源ByteBuffer的position-limit之間的內容，和源內容相互影響，源內容的position和limit不受影響
2》、duplicate方法獲取的是源ByteBuffer所有的內容，包括源ByteBuffer的mark,position,limit,capacity值，和源內容相互影響，源內容的position和limit不受影響
3》、array方法獲取的是源ByteBuffer的所有內容，只是存放到一個字節數組中，和源內容相互影響，源position和limit不受影響
4》、get方法獲取的是源ByteBuffer的position-limit之間的內容，存放到目標字節數組中，和源內容不影響，源position會發生變化等於limit,limit不受影響

第四類：數據壓縮和其他基本類型之間的轉化

這裡主要來看看ByteBuffer中的數據壓縮，以及和其他基本類型之間的轉化內容了，先來看一下圖解：

下面依次來看看具體內容：

1、compact方法

首先來看一下壓縮方法compact：

這裡首先初始化ByteBuffer內容為0-10，然後設置position為3，那麼壓縮前，0-2這三個位置就是無效數據了，那麼就把從3開始的，長度是10-3=7的數據拷貝到位置是0-7中。同時position=limit-position；為了方便看結果，這裡調用clear方法，回到初始狀態，看看結果：

看到了結果就會明白了，這裡個把0-2的位置給頂替了，再來看看他的源碼：

通過源碼可以看到：直接拷貝內容，然後在設置position和limit的值。

2、getInt和asIntBuffer，order方法

再來看一下ByteBuffer中和其他類型之間的轉化

說到其他類型的轉化之前，必須先說一下字節排序，我們知道所有的內容最後存放到內存中都是二進制，那麼在學習計算機組成原理的時候都知道，內存中的數據有高序和低序之分的，那麼不同的排序，輸出的結果也是不同的，同樣ByteBuffer中的字節也是有排序的，簡稱大端和小端排序，Java中默認的是大端排序，如果想設置小端排序的話，可以通過order方法進行設置：

有三個選項，前兩個是枚舉，大端排序和小端排序，後一個是一個方法，這個方法其實就是底層實現的，根據本機系統支持的排序，因為Java默認是大端排序的，所以有時候我們在涉及到底層開發的時候，需要根據本機系統來進行操作，那麼這時候這個方法就非常有效了，比如後面說到的openGL就經常用到這個方法。

設置完了字節排序之後，我們才能開始轉化其他類型，因為其他類型都是由多個字節組成的，比如int類型就4個字節，可以通過getInt方法來獲取一個int值，但是需要注意的是ByteBuffer的字節有效性，每次取數據都是在position到limit之間的數據，然後通過取4個字節以及字節排序來進行int值的轉化，加入limit-position % 4 !=0的話，那麼在取最後一個int值會發生錯誤，因為字節個數不足4了，這個需要做一次判斷的，下面來看看代碼：

首先我們打印一下JVM默認的字節排序，然後在設置本機系統的字節排序，運行結果：

這裡看到了，默認是大端排序的，然後通過打印結果是：07090809來看應該是低端排序了，因為本來是：

03040506 07080907 0809

因為調用了兩次getInt，所以是中間的內容，但是看到了是倒序的，加入我們沒有設置字節排序，使用默認的排序：

這下就看到了，nativeOrder是小端排序的，看到內容也是。

這裡同時也看到了，每次調用getInt方法，position都會遞增的，下面來看一下源碼：

nextGetIndex方法在之前分析了，內部是position做加法操作的。

最後再來看看如果想改ByteBuffer中整型內容值該怎麼辦？有一個asIntBuffer方法：

調用了asIntBuffer對象返回的是IntBuffer對象，其他類型的都有對應的對象，然後我們打印結果，在修改IntBuffer中的值，在打印ByteBuffer內容，看看結果：

看到了，修改了前四個字節的內容，正好是IntBuffer的第一個數據，而IntBuffer的limit=2，這個就是通過ByteBuffer的remaining的值除以4得到的，這裡是(limit-position=10)/4=2，可以看看源碼：

到這裡，我們就看完了，如何把ByteBuffer中字節轉化成int類型，同時修改int值來同步到ByteBuffer中，當然其他基本類型操作方法類似的，最後再來看一個比較安全有用的方法：asReadOnlyBuffer，這個方法主要是返回一個只讀的ByteBuffer的副本對象，如果我們調用了這個對象的put方法：

運行就會出錯：

所以這個方法對於，我們不想給源ByteBuffer的數據造成影響，但是又想讀取數據的話，就這個方法了。

四、知識總結

上面就介紹完了整個ByteBuffer的所有內容了，首先我們知道他是一個操作字節數據的高效類。

1、ByteBuffer的操作原理

ByteBuffer有兩個子類HeapByteBuffer和DirectByteBuffer，這兩個類的區別就在於前一個類是基於JVM堆內存的，後一個是基於系統內存的，他們通過allocate和allocateDirect方法獲取。

2、四個“指針”

mark，position，limit，capacity這四個指針來操作數據，mark最不常用，默認是-1，就是為了存儲上一次position的值，而position是最常用的，在進行數據的讀寫，狀態改變都會設置這個值，就是表示當前有效數據的起始位置，limit的值是當前有效數據的末尾位置，可以通過limit方法直接設置值，capacity值是整個內存的容量，一般不會改變，只有在內存不足的的時候再次分配會被重新復制。同時position和limit可以通過對應的方法隨意設置指定的值，而position和limit以及capacity這三個可以有對應的方法來訪問他們的值。最重要的是：position到limit中間的數據被認為是有效數據。

3、操作內存分配方法

這裡主要介紹了allocate和allocateDirect方法的區別，以及wrap方法和前面的兩個方法的區別，wrap方法相當於是allocate+put方法結合體，需要注意的是wrap方法傳遞進入的字節數組和ByteBuffer內容是相互影響的。

4、操作子Buffer的方法

這裡主要介紹了slice方法，duplicate方法，array方法，get方法，這四個方法從三個方面：拷貝源ByteBuffer內容，是否影響源ByteBuffer內容，是否會改變源ByteBuffer的postion和limit值，來作比較的。

5、壓縮數據以及和其他基本類型的轉化

這裡主要介紹了ByteBuffer中的compact方法的作用，然後介紹了ByteBuffer中的字節排序，以及如何轉化成int類型值，修改int類型值。

最後再來看一張表格，來比較這些方法的區別：

首先是操作四個指針的方法：