ByteBuffer를 이해하고 사용하기

ByteBuffer란?

• 자바 NIO(Non-blocking I/O)에서 제공하는 클래스로, 바이트 배열에 대한 처리를 효율적으로 수행할 수 있게 돕는다.
• 바이트 데이터를 읽고 쓰는 데 사용되며, 네트워크 통신이나 파일 I/O에서 특히 유용하다.
• 네트워크 소켓에서 데이터를 읽거나 파일로부터 데이터를 읽는 등의 입출력 연산을 비동기적으로 수행할 수 있게 해준다. 이는 블로킹 I/O와 비교하여 효율적인 성능을 제공한다.
• 바이트 배열 외에도 원시 데이터 타입(primitive data types)을 읽고 쓸 수 있게 해준다.
• capacity(버퍼의 총 용량), limit(버퍼에서 읽거나 쓸 수 있는 최대 범위), position(현재 읽거나 쓰기를 수행하고 있는 위치) 등의 상태를 가지며, 이를 통해 바이트 데이터를 유연하게 조작할 수 있다.
• ByteBuffer는 DirectByteBuffer와 HeapByteBuffer 두 가지 주요 형태가 있다. DirectByteBuffer는 자바 힙 외부에서 메모리를 할당받아 사용하며, 시스템 내부적으로 네이티브 I/O 연산을 효율적으로 수행할 수 있다. 반면, HeapByteBuffer는 자바 힙 내부에 데이터를 저장하는 버퍼이다.

ByteBuffer의 특징

• 커널 버퍼에 직접 접근할 수 있는 NIO의 장점을 이용하기 위해서는 ByteBuffer 클래스만 Direct Buffer를 지원한다.
  • 즉, 커널 버퍼에 직접 접근할 수 있는 NIO의 장점을 이용하기 위해서는 ByteBuffer의 allocateDirect()라는 메서드를 이용해서 ByteBuffer를 만들어 내야 한다.
• 자바가 C에 비해 느린 이유 중 하나는 IO가 JVM 내부에 IO 버퍼를 두었기 때문인데, ByteBuffer를 사용함으로 속도 향상이 가능하다.
• 특히 네트워크 통신 등 byte배열 사용이 잦은 경우 GC가 성능에 영향을 끼질 수 있지만 ByteBuffer는 이러한 상황을 예방해줄 수 있다.

java.nio의 Buffer 계층도

ByteBuffer의 생성 방법 3가지

• allocate : JVM의 힙 영역에 바이트 버퍼를 생성한다. 인수는 생성할 바이트 버퍼 크기다.
  • 생성시간이 빠르지만, 입출력 성능은 낮다
• allocateDirect : JVM 힙 영역이 아닌 운영체제의 커널 영역에 바이트 버퍼를 생성한다.
  • 생성시간이 느리지만, 입출력 성능은 높다
• wrap : 입력된 바이트 배열을 사용하여 바이트 버퍼를 생성한다. 입력에 사용된 바이트 배열이 변경되면 wrap을 사용하여 생성한 바이트 버퍼도 변경된다

ByteBuffer의 네 가지 포인터

• ByteBuffer에는 위치를 나타내는 네가지 포인터가 있다.
  • position, limit, capacity, mark
  • 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
• position : 현재 읽을 위치나 현재 쓸 위치를 가리킨다. ByteBuffer에서 get()함수로 읽기를 시도할 경우 position 위치부터 읽기 시작하여, put()함수로 ByteBuffer에 쓰기를 시도할 경우 position 위치부터 쓰기를 시작한다. 읽거나 쓸 때마다 position의 위치는 자동으로 이동한다
• limit : 현재 ByteBuffer의 유요한 쓰기 위치나 유효한 읽기 위치를 나타낸다. 다시 말해 “이 버퍼는 여기까지 읽을 수 있습니다” 혹은 “여기까지 쓸 수 있습니다”를 나타낸다.
• capacity : ByteBuffer의 용량을 나타낸다. 따라서 항상 ByteBuffer의 맨 마지막을 가리키고 있다. 그 때문에 position과 limit와는 달리 그 위치를 바꿀 필요가 없다
• mark : 편리한 표인터이다. 특별한 의미가 있는 건 아니고 사용자가 마음대로 지정할 수 있다. 특별히 이 위치를 기억하고 있다가 다음데 되돌아가야할 때 사용한다.

java.nio.Buffer의 주요 메서드

• clear() -> return Buffer
  • 말 그대로 초기화
  • 포지션을 0으로 설정
• flip() -> return Buffer
  • 마지막으로 썼던 버퍼를 읽기 좋게 변경
  • 포지션을 0으로 설정
  • limit을 현재 내용의 마지막 위치로 압축
• hasRemaining() -> return Buffer
  • 포지션과 리미트가 같지 않은지 확인
  • 버퍼내 내용이 있으면 true
• rewind() -> return Buffer
  • 포지션은 맨 처음으로 초기화 됨
  • 포지션이 0이 아닐 때 0으로 위치시킴
• mark() -> return Position
  • 현재 위치(P)를 임시 저장한다.
• reset() -> return Position
  • 임시저장된 위치로 다시 P를 옮겨놓는다.
  • mark-reset은 주로 데이터를 미리 살짝 읽어볼 때 (Peek) 주로 쓴다
  • reset과 clear는 헷갈리기 쉬우니 주의

java.nio.ByteBuffer의 주요 메서드

• compact() -> abstact ByteBuffer
  • 포지션과 리미트를 앞당기고 다음 포지션과 리미트를 설정
• wrap(byte[] array) -> static ByteBuffer
  • byte[]를 byteBuffer로 만듦
  • 만들어진 ByteBuffer는 byte[]에 의존하게 되며, capcaity, limit은 byte[]의 사이즈와 같음

ByteBuffer의 get()/put()

• get(), put() 은 각각 버퍼에 데이터를 읽고 쓰는 메서드이다
• get(), put() 은 다시 상대적/절대적으로 구분된다
  • 상대적 get(), put() : position값 증가
  • 절대적 get(), put() : position값 변화없음

예시 (CharBuffer 사용)

• P : Position, L : Limit C : Capacity

allocate

• 8개의 글자가 들어갈 수 있는 버퍼를 만든다. allocate하면 버퍼는 현재 쓰기모드이다

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(8); // capacity : 8
//  P               L
//  |0|1|2|3|4|5|6|7|
//  | | | | | | | | |

put

• put을 사용할 경우 Position이 이동하면서 버퍼에 데이터가 들어간다.

//  P               L
//  |0|1|2|3|4|5|6|7|
//  | | | | | | | | |

buf.put('a'); buf.put('b'); buf.put('c'); buf.put('e');

// P------>P       L
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |a|b|c|e| | | | |

buf.put(3,'d');

//         P       L
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |a|b|c|d| | | | |

flip

• 입력된 데이터를 읽기 위해 read-mode로 바꾼다. (읽기 좋게 바꾼다)
• 버퍼의 시작이자 데이터의 시작인 0으로 Position을 이동하고, 데이터의 끝 부분에 L이 위치하게 된다.
  • Limit이 Position이 되고, Position이 0이 된다.

//         P       L
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |a|b|c|d| | | | |

buf.flip();

//          L<------L
//  P<------P
//  |0|1|2|3|4|5|6|7|
//  |a|b|c|d| | | | |
//  L = P
//  P = 0

get

• Position을 이동시키며 데이터를 읽는다

//  P       L       
//  |0|1|2|3|4|5|6|7|
//  |a|b|c|d| | | | |

char a, b, c;
a = buf.get(); b = buf.get(); c = buf.get();

// P---->P L       
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |a|b|c|d| | | | |

compact

• 데이터를 쓰기모드로 바꾼다.
• 읽지 않은 데이터 ‘d’가 복사되고, ‘d’의 바로 뒤에 쓸 수 있도록 Position이 변했다.

//       P L       
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |a|b|c|d| | | | |

buf.compact();

//   P<--P
//         L------>L
// |0|1|2|3|4|5|6|7|
// |d| | | | | | | |
// 남아있는 데이터를 처음으로 복사
// P = 남아있는 데이터 수
// L = C

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class ByteBufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 문자열
        String input = "Hello, ByteBuffer";

        // 문자열을 바이트 배열로 변환
        byte[] inputData = input.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

        // ByteBuffer를 생성
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(inputData.length);

        // 데이터를 ByteBuffer에 쓰기
        buffer.put(inputData);

        // 버퍼를 flip하여 읽기 모드로 전환
        buffer.flip();

        // ByteBuffer에서 데이터 읽기
        byte[] outputData = new byte[buffer.remaining()];
        buffer.get(outputData);

        // 읽은 데이터를 문자열로 변환
        String output = new String(outputData, StandardCharsets.UTF_8);

        System.out.println("Input: " + input);
        System.out.println("Output: " + output);
    }
}