11 | 流和缓冲区：缓冲区的 flip 是怎么回事？
流和缓冲区都是用来描述数据的。计算机中，数据往往会被抽象成流，然后传输。比如读取一个文件，数据会被抽象成文件流；播放一个视频，视频被抽象成视频流。处理节点为了防止过载，又会使用缓冲区削峰（减少瞬间压力）。在传输层协议当中，应用往往先把数据放入缓冲区，然后再将缓冲区提供给发送数据的程序。发送数据的程序，从缓冲区读取出数据，然后进行发送。
流和缓冲区几乎是学习所有语言的程序员都会接触到的东西，也是面试的重点。这一讲，就请你以“缓冲区的 flip 操作是怎么回事”为引，开启今天的学习，把这部分知识一网打尽。
流
流代表数据，具体来说是随着时间产生的数据，类比自然界的河流。你不知道一个流什么时候会完结，直到你将流中的数据都读完。
读取文件的时候，文件被抽象成流。流的内部构造，决定了你每次能从文件中读取多少数据。从流中读取数据的操作，本质上是一种迭代器。流的内部构造决定了迭代器每次能读出的数据规模。比如你可以设计一个读文件的流，每次至少会读出 4k 大小，也可以设计一个读文件的程序，每次读出一个字节大小。
通常情况读取数据的流，是读取流；写入数据的流，是写入流。那么一个写入流还能被理解成随着时间产生的数据吗？其实是一样的，随着时间产生的数据，通过写入流写入某个文件，或者被其他线程、程序拿走使用。
这里请你思考一个问题：流中一定有数据吗？看上去的确是这样。对于文件流来说，打开一个文件，形成读取流。读取流的本质当然是内存中的一个对象。当用户读取文件内容的时候，实际上是通过流进行读取，看上去好像从流中读取了数据，而本质上读取的是文件的数据。从这个角度去观察整体的设计，数据从文件到了流，然后再到了用户线程，因此数据是经过流的。
但是仔细思考这个问题，可不可以将数据直接从文件传输到用户线程呢？比如流对象中只设计一个整数型指针，一开始指向文件的头部，每次发生读取，都从文件中读出内容，然后再返回给用户线程。做完这次操作，指针自增。通过这样的设计，流中就不需要再有数据了。可见，流中不一定要有数据。再举一个极端的例子，如果我们设计一个随机数的产生流，每次读取流中的数据，都调用随机数函数生成一个随机数并返回，那么流中也不需要有数据的存储。
为什么要缓冲区？
在上面的例子当中，我们讨论的时候发现，设计文件流时，可以只保留一个位置指针，不用真的将整个文件都读入内存，像下图这样：
把文件看作是一系列线性排列连续字节的合集，用户线程调用流对象的读取数据方法，每次从文件中读取一个字节。流中只保留一个读取位置 position，指向下一个要读取的字节。
看上去这个方案可行，但实际上性能极差。因为从文件中读取数据这个操作，是一次磁盘的 I/O 操作，非常耗时。正确的做法是每次读取 2k、4k 这样大小的数据，这是因为操作系统中的内存分页通常是这样的大小，而磁盘的读写往往是会适配页表大小。而且现在的文件系统主要都是日志文件系统，存储的并不是原始数据本身，也就是说多数情况下你看到的文件并不是一个连续紧密的字节线性排列，而是日志。关于这块内容，具体可以参考《重学操作系统》中《30 | 文件系统的底层实现：FAT、NTFS 和 Ext3 有什么区别》。
如果你不想花时间再去完整地学习一遍“操作系统”相关的内容，我这里先给一个结论：当你向磁盘读取 2k 数据，读取到的不一定是 2k 实际的数据，很有可能会比 2k 少，这是因为文件内容是以日志形式存储，会有冗余。
我们用下面这张图来描述下需求：
如上图所示，内核每次从文件系统中读取到的数据是确定的，但是里边的有效数据是不确定的。流对象的设计，至少应该支持两种操作：一种是读取一个字节，另一种是读取多个字节。而无论读取一个字节还是读取多个字节，都应该适配内核的底层行为。也就是说，每次流对象读取一个字节，内核可能会读取 2k、4k 的数据。这样的行为，才能真的做到减少磁盘的 I/O 操作。那么有同学可能会问：内核为什么不一次先读取几兆数据或者读取更大的数据呢？这有两个原因。
如果是高并发场景下，并发读取数据时内存使用是根据并发数翻倍的，如果同时读取的数据量过大，可能会导致内存不足。
读取比 2k/4k……大很多倍的数据，比如 1M/2M 这种远远大于内存分页大小的数据，并不能提升性能。
所以最后我们的解决办就是创建两个缓冲区。
上图中内核中的缓冲区，用于缓冲读取文件中的数据。流中的缓冲区，用于缓冲内核中拷贝过来的数据。有同学可能不理解，为什么不把内核的缓冲区直接给到流呢？这是因为流对象工作在用户空间，内核中的缓冲区工作在内核空间。用户空间的程序不可以直接访问内核空间的数据，这是操作系统的一种保护策略。具体可以参考《重学操作系统》中《14 | 用户态和内核态：用户态线程和内核态线程有什么区别？》，这里不再赘述。
当然也存在一种叫作内存映射的方式，就是内核通过内存映射，直接将内核空间中的一块内存区域分享给用户空间只读使用，这样的方式可以节省一次数据拷贝。这个能力在 Java 的 NIO 中称作 DirectMemory，对应 C 语言是 mmap。
缓冲区
上面的设计中，我们已经开始用缓冲区解决问题了。那么具体什么是缓冲区呢？缓冲区就是一块用来做缓冲的内存区域。在上面的例子当中，为了应对频繁的字节读取，我们在内存当中设置一个 2k 大小缓冲区。这样读取 2048 次，才会真的发生一次读取。同理，如果应对频繁的字节写入，也可以使用缓冲区。
不仅仅如此，比如说你设计一个秒杀系统，如果同时到达的流量过高，也可以使用缓冲区将用户请求先存储下来，再进行处理。这个操作我们称为削峰，削去流量的峰值。
缓冲区中的数据通常具有朴素的公平，说白了就是排队，先进先出（FIFO）。从数据结构的设计上，缓冲区像一个队列。在实际的使用场景中，缓冲区有一些自己特别的需求，比如说缓冲区需要被重复利用。多次读取数据，可以复用一个缓冲区，这样可以节省内存，也可以减少分配和回收内存的开销。
举个例子：读取一个流的数据到一个缓冲区，然后再将缓冲区中的数据交给另一个流。 比如说读取文件流中的数据交给网络流发送出去。首先，我们要将文件流的数据写入缓冲区，然后网络流会读取缓冲区中的数据。这个过程会反反复复进行，直到文件内容全部发送。
这个设计中，缓冲区需要支持这几种操作：
写入数据
读出数据
清空（应对下一次读写）
那么具体怎么设计这个缓冲区呢？首先，数据可以考虑存放到一个数组中，下图是可以存 8 个字节的缓冲区：
写入数据的时候，需要一个指针指向下一个可以写入的位置，如下图所示：
每次写入数据，position 增 1，比如我们顺序写入 a,b,c,d 后，缓冲区如下图所示：
那么如果这个时候，要切换到读取状态该怎么做呢？再增加一个读取指针吗？聪明的设计者想到了一个办法，增加一个 limit 指针，随着写入指针一起增长，如下图所示：
当需要切换到读取状态的时候，将 position 设置为 0，limit 不变即可。下图中，我们可以从 0 开始读取数据，每次读取 position 增 1。
我们将 position 设置为 0，limit 不变的操作称为flip操作，flip 本意是翻转，在这个场景中是读、写状态的切换。
读取操作可以控制循环从 position 一直读取到 limit，这样就可以读取出 a,b,c,d。那么如果要继续写入应该如何操作呢？ 这个时候就需要用到缓冲区的clear操作，这个操作会清空缓冲区。具体来说，clear操作会把 position,limit 都设置为 0，而不需要真的一点点擦除缓冲区中已有的值，就可以做到重复利用缓冲区了。
写入过程从 position = 0 开始，position 和 limit 一起自增。读取时，用flip操作切换缓冲区读写状态。读取数据完毕，用clear操作重置缓冲区状态。
总结
总结一下，流是随着时间产生的数据。数据抽象成流，是因为客观世界存在着这样的现象。数据被抽象成流之后，我们不需要把所有的数据都读取到内存当中进行计算和迭代，而是每次处理或者计算一个缓冲区的数据。
缓冲区的作用是缓冲，它在高频的 I/O 操作中很有意义。针对不同场景，也不只有这一种缓冲区的设计，比如用双向链表实现队列（FIFO 结构）可以作为缓冲区；Redis 中的列表可以作为缓冲区；RocketMQ，Kafka 等也可以作为缓冲区。针对某些特定场景，比如高并发场景下的下单处理，可能会用订单队列表（MySQL 的表）作为缓冲区。
因此从这个角度来说，作为开发者我们首先要有缓冲的意识，去减少 I/O 的次数，提升 I/O 的性能，然后才是思考具体的缓冲策略。
那么通过这一讲的学习，你可以尝试来回答本讲关联的面试题目：缓冲区的 flip 操作是怎么回事？
【解析】flip 操作意味翻转，是切换缓冲区的读写状态，在 flip 操作中，通常将 position 指针置 0，limit 指针不变。
思考题
再给你出一道需要查资料的思考题目，在缓冲区的设计当中，还通常有一个 rewind 操作，这个操作是用来做什么的呢？
这一讲就到这里，发现求知的乐趣，我是林䭽。感谢你学习本次课程，下一讲我们将学习《12 | 网络 I/O 模型：BIO、NIO 和 AIO 有什么区别？》，再见！