深入理解缓冲的本质
缓冲（Buffer）通过对数据进行暂存，然后批量进行传输或者操作，多采用顺序方式，来缓解不同设备之间次数频繁但速度缓慢的随机读写。
你可以把缓冲区，想象成一个蓄水池。放水的水龙头一直开着，如果池子里有水，它就以恒定的速度流淌，不需要暂停；供水的水龙头速度却不确定，有时候会快一些，有时候会特别慢。它通过判断水池里水的状态，就可以自由控制进水的速度。
或者再想象一下包饺子的过程，包馅的需要等着擀皮的。如果擀皮的每擀一个就交给包馅的，速度就会很慢；但如果中间放一个盆子，擀皮的只管往里扔，包馅的只管从盆里取，这个过程就快得多。许多工厂流水线也经常使用这种方法，可见“缓冲”这个理念的普及性和实用性。
从宏观上来说，JVM 的堆就是一个大的缓冲区，代码不停地在堆空间中生产对象，而垃圾回收器进程则在背后默默地进行垃圾回收。
通过上述比喻和释意，你可以发现缓冲区的好处：
- 缓冲双方能各自保持自己的操作节奏，操作处理顺序也不会打乱，可以 one by one 顺序进行；
- 以批量的方式处理，减少网络交互和繁重的 I/O 操作，从而减少性能损耗；
- 优化用户体验，比如常见的音频/视频缓冲加载，通过提前缓冲数据，达到流畅的播放效果。
缓冲在 Java 语言中被广泛应用，在 IDEA 中搜索 Buffer，可以看到长长的类列表，其中最典型的就是文件读取和写入字符流。
文件读写流
接下来，我会以文件读取和写入字符流为例进行讲解。
Java 的 I/O 流设计，采用的是装饰器模式，当需要给类添加新的功能时，就可以将被装饰者通过参数传递到装饰者，封装成新的功能方法。就增加功能来说，装饰模式比生成子类更为灵活。
在读取和写入流的 API 中，BufferedInputStream 和 BufferedReader 可以加快读取字符的速度，BufferedOutputStream 和 BufferedWriter 可以加快写入的速度。
下面是直接读取文件的代码实现：
int result = 0;
try (Reader reader = new FileReader(FILE_PATH)) {
int value;
while ((value = reader.read()) != -1) {
result += value;
}
}
return result;要使用缓冲方式读取，只需要将 FileReader 装饰一下即可：
int result = 0;
try (Reader reader = new BufferedReader(new FileReader(FILE_PATH))) {
int value;
while ((value = reader.read()) != -1) {
result += value;
}
}
return result;我们先看一下与之类似的，BufferedInputStream 类的具体实现方法：
//代码来自JDK
public synchronized int read() throws IOException {
if (pos >= count) {
fill();
if (pos >= count)
return -1;
}
return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
}当缓冲区的内容读取完毕，将尝试使用 fill 函数把输入流读入缓冲区：
//代码来自JDK
private void fill() throws IOException {
byte[] buffer = getBufIfOpen();
if (markpos < 0)
pos = 0; /* no mark: throw away the buffer */
else if (pos >= buffer.length) /* no room left in buffer */
if (markpos > 0) { /* can throw away early part of the buffer */
int sz = pos - markpos;
System.arraycopy(buffer, markpos, buffer, 0, sz);
pos = sz;
markpos = 0;
} else if (buffer.length >= marklimit) {
markpos = -1; /* buffer got too big, invalidate mark */
pos = 0; /* drop buffer contents */
} else if (buffer.length >= MAX_BUFFER_SIZE) {
throw new OutOfMemoryError("Required array size too large");
} else { /* grow buffer */
int nsz = (pos <= MAX_BUFFER_SIZE - pos) ?
pos * 2 : MAX_BUFFER_SIZE;
if (nsz > marklimit)
nsz = marklimit;
byte nbuf[] = new byte[nsz];
System.arraycopy(buffer, 0, nbuf, 0, pos);
if (!bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, nbuf)) {
// Can't replace buf if there was an async close.
// Note: This would need to be changed if fill()
// is ever made accessible to multiple threads.
// But for now, the only way CAS can fail is via close.
// assert buf == null;
throw new IOException("Stream closed");
}
buffer = nbuf;
}
count = pos;
int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);
if (n > 0)
count = n + pos;
}程序会调整一些读取的位置，并对缓冲区进行位置更新，然后使用被装饰的 InputStream 进行数据读取：
int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);那么为什么要这么做呢？直接读写不行吗？
这是因为：字符流操作的对象，一般是文件或者 Socket，要从这些缓慢的设备中，通过频繁的交互获取数据，效率非常慢；而缓冲区的数据是保存在内存中的，能够显著地提升读写速度。
既然好处那么多，为什么不把所有的数据全部读到缓冲区呢？
这就是一个权衡的问题，缓冲区开得太大，会增加单次读写的时间，同时内存价格很高，不能无限制使用，缓冲流的默认缓冲区大小是 8192 字节，也就是 8KB，算是一个比较折中的值。
这好比搬砖，如果一块一块搬，时间便都耗费在往返路上了；但若给你一个小推车，往返的次数便会大大降低，效率自然会有所提升。
缓冲区优化思路
毫无疑问缓冲区是可以提高性能的，但它通常会引入一个异步的问题，使得编程模型变复杂。
通过文件读写流和 Logback 两个例子，我们来看一下对于缓冲区设计的一些常规操作。
假设资源 A 读取或写入一些操作到资源 B，这本是一个正常的操作流程，但由于中间插入了一个额外的存储层，所以这个流程被生生截断了，这时就需要你手动处理被截断两方的资源协调问题。
根据资源的不同，对正常业务进行截断后的操作，分为同步操作和异步操作。
1.同步操作
同步操作的编程模型相对简单，在一个线程中就可完成，你只需要控制缓冲区的大小，并把握处理的时机。比如，缓冲区大小达到阈值，或者缓冲区的元素在缓冲区的停留时间超时，这时就会触发批量操作。
由于所有的操作又都在单线程，或者同步方法块中完成，再加上资源 B 的处理能力有限，那么很多操作就会阻塞并等待在调用线程上。比如写文件时，需要等待前面的数据写入完毕，才能处理后面的请求。
2.异步操作
异步操作就复杂很多。
缓冲区的生产者一般是同步调用，但也可以采用异步方式进行填充，一旦采用异步操作，就涉及缓冲区满了以后，生产者的一些响应策略。
此时，应该将这些策略抽象出来，根据业务的属性选择，比如直接抛弃、抛出异常，或者直接在用户的线程进行等待。你会发现它与线程池的饱和策略是类似的，这部分的详细概念将在 12 课时讲解。
许多应用系统还会有更复杂的策略，比如在用户线程等待，设置一个超时时间，以及成功进入缓冲区之后的回调函数等。
对缓冲区的消费，一般采用开启线程的方式，如果有多个线程消费缓冲区，还会存在信息同步和顺序问题。
3.其他做法
使用缓冲区来提升性能的做法非常多，下面再举几个例子：
- StringBuilder 和 StringBuffer，通过将要处理的字符串缓冲起来，最后完成拼接，提高字符串拼接的性能；
- 操作系统在写入磁盘，或者网络 I/O 时，会开启特定的缓冲区，来提升信息流转的效率。通常可使用 flush 函数强制刷新数据，比如通过调整 Socket 的参数 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF 提高网络传输性能；
- MySQL 的 InnoDB 引擎，通过配置合理的 innodb_buffer_pool_size，减少换页，增加数据库的性能；
- 在一些比较底层的工具中，也会变相地用到缓冲。比如常见的 ID 生成器，使用方通过缓冲一部分 ID 段，就可以避免频繁、耗时的交互。
4.注意事项
虽然缓冲区可以帮我们大大地提高应用程序的性能，但同时它也有不少问题，在我们设计时，要注意这些异常情况。
其中，比较严重就是缓冲区内容的丢失。即使你使用 addShutdownHook 做了优雅关闭，有些情形依旧难以防范避免，比如机器突然间断电，应用程序进程突然死亡等。这时，缓冲区内未处理完的信息便会丢失，尤其金融信息，电商订单信息的丢失都是比较严重的。
所以，内容写入缓冲区之前，需要先预写日志，故障后重启时，就会根据这些日志进行数据恢复。在数据库领域，文件缓冲的场景非常多，一般都是采用 WAL 日志（Write-Ahead Logging）解决。对数据完整性比较严格的系统，甚至会通过电池或者 UPS 来保证缓冲区的落地。这就是性能优化带来的新问题，必须要解决。
