Java NIO 中 Selector 解析

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一、Selector 簡介

1、Selector 和 Channel 關系

Selector 一般稱為選擇器，可以翻譯為 多路復用。它是 Java NIO 核心組件中的一個，用於檢查一個或者多個 NIO Channel (通道) 的狀態是否處於可讀、可寫。如此可以實現單線程管理多個 Channels ， 也就是可以管理多個網絡鏈接。

使用 Selector 的好處在於：使用更少的線程就可以來處理通道瞭，相比使用多個線程，避免瞭線程上下文切換帶來的開銷。

2、可選擇通道（SelectableChannel）

（1）不是所有的 Channel 都是可以被 Selector 復用的。比方說， FileChannel 就不能被選擇器復用。判斷一個 Channel 能被 Selector 復用，有一個前提：判斷他是否繼承瞭一個抽象類 SelectableChannel。如果繼承瞭 SelectableChannel ， 則可以被復用，否則不能。

（2）SelectableChannel 提供瞭實現通道選擇性所需要的公共方法。它是所有支持就緒檢查通道類的父類，所有 socket 通道，都繼承 SelectableChannel 類都是可選擇的，包括從管道（Pipe） 對象的中獲取得到的通道。而 FileChannel 類，沒有繼承 SelectableChannel , 因此是不是可選通道。

（3）一個通道可以被註冊到多個選擇器上，但對每個選擇器而言隻能被註冊一次。通道和選擇器之間的關系，使用註冊的方式完成。SelectableChannel 可以被註冊到 Selector 對象上，在註冊時候，需要指定通道的那些操作，是 Selector 感興趣的。

3、Channel 註冊到 Selector

（1）使用Channel.register(Selector sel, int pos) 方法，將一個通道註冊到一個選擇器時。第一個參數，指定通道要註冊的選擇器。第二個參數指定選擇器需要查詢的通道操作。

（2）可供選擇器查詢的通道操作，從類型類分，包括一下四種：

  • 可讀：SelectionKey.OP_READ
  • 可寫：SelectionKey.OP_WRITE
  • 連接：SelectionKey.OP_CONNECT
  • 接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

如果 Selector 對通道的多操作類型感興趣，可以用“位或”操作符來實現：

比如int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

（3）選擇器查詢的不是通道的操作，而是通道的某個操作的一種就緒狀態。什麼操作的就緒狀態？一旦通道具備完成某個操作的條件，表示該通道的某個操作已經就緒，就可以被 Selector 查詢到，程序可以對通道進行對應的操作。比方說，某個 SocketChannel 通道可以連接到一個服務器，則處於“連接就緒”狀態(OP_CONNECT)。 再比方說，一個ServerSocketChannel 服務器通道準備好接收新進入的連接，則處於“接收就緒”（OP_ACCEPT）狀態。還比方說，一個數據可讀的通道，可以說是“讀就緒”（OP_READ）。一個等待寫數據的通道可以說是“寫就緒”（OP_WRITE）。

4、選擇鍵（SelectionKey）

（1）Channel 註冊之後，並且一旦通道處於某種就緒狀態，就可以被選擇器查詢到。這個工作使用選擇器 Selector 的 select() 方法完成。select 方法的作用，對感興趣的通道操作，進行就緒狀態的查詢。

（2）Selector 可以不斷的查詢 Channel 中發生的操作的就緒狀態。並且選擇甘心去的操作就緒狀態。一旦通道有操作的就緒狀態達成，並且是 Selecor 感興趣的操作，就會被 Selector 選中，放入選擇鍵集合中。

（3）一個選擇鍵，首先包含瞭註冊在 Selector 的通道操作的類型，比方說: SelectionKey.OP_READ . 也包含瞭特定的通道與特定的選擇器之間的註冊關系。

開發應用程序是，選擇鍵是編程的關鍵，NIO 編程，就是更具對應的選擇鍵，進行不同的業務邏輯處理。

（4）選擇鍵的概念，和事件的概念比較相似。一個選擇鍵類似監聽器模式裡面的一個事件。由於 Selector 不是事件觸發的模式，而是主動去查詢的模式，所以不叫事件 Event, 而是叫 SelectionKey 選擇鍵。

二、Selector 的使用方法

1、Selector 的創建

通過 Selector.open() 方法創建一個 Selector 對象。如下；

// 獲取 Selector 選擇器
Selector selector = Selector.open();

2、註冊 Channel 到 Selector

要實現 Selector 管理 Channel ， 需要將 channel 註冊到相應的 Selector 上

// 1. 獲取 Selector 選擇器
Selector selector = Selector.open();

// 2. 獲取通道
ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

// 3. 設置為非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

// 4. 綁定連接
socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));

// 5. 將通道註冊到選擇器
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

上面通過調用通道的 register() 方法會將它註冊到一個選擇器上。

需要註意的是：

（1）與 Selector 一起使用， channel 必須處於非阻塞模式下，否則將拋出異常 IllegalBlockingModeException 。 這意味著，FileChannel 不能與 Selector 一起使用，因為 FileChannel 不能切換到非阻塞模式，而套接字相關的所有通道都可以。

（2）一個通道，並沒有一定要持有所有的四種操作。比如服務器通道 ServerSocketChannel 支持 Accept 接收操作，而 SocketChannel 客戶端通道則不支持。可以通過通道上的 vildOps() 方法，來獲取特定通道下所支持的操作集合。

3、輪訓查詢就緒操作

（1） 通過 Selector 的 select() 方法， 可以查詢出已經就緒的通道操作，有些就緒的狀態集合，包含在一個元素是 Selectionkey 對象的 Set 集合中

（2） 下面是 Selector 幾個重載的查詢 select() 方法：

  1. select() 阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒。
  2. select(long timeout) 和 select() 一樣，但最長阻塞事件為 timeout 毫秒。
  3. selectNow() 非阻塞，隻要有通道就立即返回。
  4. select() 方法返回的 int 之，表示有多少通道已經就緒，準確的說目前一次 select

方法來到這一次 select 方法之間的時間段上，有多少個通道編程瞭就緒狀態。

例如：首次調用 select() 方法，如果有一個通道編程瞭就緒狀態，返回瞭 1 ， 若子啊次調用 select() 方法，如果另外一個通道就緒瞭，它會再次返回 1。 如果第一個就緒的 chnanel 麼有做任何操作，現在就有兩個就緒通道，但是每次 select() 方法調用之間，隻有一個通道就緒瞭。

一旦調用 select() 方法，並且返回值部位 0 時，在 Selector 中有一個 seletedKeys() 方法，用來范圍已選擇鍵集合，迭代集合的每個以元素，根據就緒操作的類型，完成對應的操作

// 查詢已經就緒的通道操作
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = iterator.next();

    // 判斷 key 就緒狀態操作
    if (key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
}
iterator.remove();

4、停止選擇的方法

選擇器執行選擇的過程匯總，系統底層會依次詢問每個通道是否已經就緒，這個過程可能會造成調用線程進入阻塞狀態，那麼我們有一下三種方式可以喚醒在 select（）方法中阻塞的線程。

wakeup() 方法：通過調用 Selector 對象的 wakeup() 方法讓處於阻塞狀態的 select() 方法立刻返回

該方法使得選擇器上的第一個哈沒有返回的選擇操作立即返回。如果當前沒有進行中的選擇操作，那麼下一次會對 select() 方法的一次調用立即返回。

close() 方法： 通過 close() 方法關閉 selector

該方法使得任何一個在選擇操作中阻塞的線程都被喚醒（類似 wakeup()） , 同時使的註冊到該 Selector 的所有 Channel 被註銷，所有的鍵都被取消，但是 Channel 本身不會關閉。

三、示例代碼

1、服務端代碼

@Test
public void server() throws IOException {
    //1. 獲取服務端通道
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

    //2. 切換非阻塞模式
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    //3. 創建 buffer
    ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    writeBuffer.put("收到瞭。。。。".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    //4. 綁定端口號
    serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(20000));

    //5. 獲取 selector 選擇器
    Selector selector = Selector.open();

    //6. 通道註冊到選擇器，進行監聽
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

    //7. 選擇器進行輪訓，進行後續操作
    while (selector.select() > 0) {
        Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> selectionKeyIterator = selectionKeys.iterator();
        // 循環
        while (selectionKeyIterator.hasNext()) {
            // 獲取就緒狀態
            SelectionKey k = selectionKeyIterator.next();

            // 操作判斷
            if (k.isAcceptable()) {
                // 獲取連接
                SocketChannel accept = serverSocketChannel.accept();

                // 切換非阻塞模式
                accept.configureBlocking(false);

                // 註冊
                accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            } else if (k.isReadable()) {
                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) k.channel();
                readBuffer.clear();
                socketChannel.read(readBuffer);

                readBuffer.flip();
                System.out.println("received:" + new String(readBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
                k.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (k.isWritable()) {
                writeBuffer.rewind();

                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) k.channel();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                k.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            }
        }
    }
}

2、客戶端代碼

@Test
public void client() throws IOException {

    //1. 獲取通道，綁定主機和端口號
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(20000));

    //2. 切換到非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);

    //3. 創建 buffer
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    //4. 寫入 buffer 數據
    buffer.put(new Date().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    //5. 模式切換
    buffer.flip();

    //6. 寫入通道
    socketChannel.write(buffer);

    //7. 關閉
    buffer.clear();
    socketChannel.close();
}

3、NIO 編程步驟總結

  • 1、創建一個 ServerSocketChannel 通道
  • 2、設置為非阻塞模式
  • 3、創建一個 Selector 選擇器
  • 4、Channel 註冊到選擇器中，監聽連接事件
  • 5、調用 Selector 中的 select 方法（循環調用），監聽通道是否是就緒狀態
  • 6、調用 SelectKeys() 方法就能獲取 就緒 channel 集合
  • 7、遍歷就緒的 channel 集合，判斷就緒事件類型，實現具體的業務操作。
  • 8、根據業務流程，判斷是否需要再次註冊事件監聽事件，重復執行。

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