【Java】Java NIO之Selector 选择器（四）

一、Selector（选择器）介绍

　　Selector 一般称为选择器 ，当然你也可以翻译为 多路复用器 。它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接。

为什么使用Selector?

　　仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

　　但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图：

二、Selector（选择器）的使用方法介绍

2.1、Selector的创建

　　通过调用Selector.open()方法创建一个Selector对象，如下：

1 Selector selector = Selector.open();

2.2、向Selector注册通道

　　为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

1 channel.configureBlocking(false);
2 SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

　　与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

　　因为FileChannel不能切换为非阻塞模式，更准确的来说是因为FileChannel没有继承SelectableChannel。Socket channel可以正常使用。

　　SelectableChannel抽象类 有一个 configureBlocking（） 方法用于使通道处于阻塞模式或非阻塞模式。

1 abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block)

　　注意：

　　SelectableChannel抽象类的configureBlocking（） 方法是由 AbstractSelectableChannel抽象类实现的，SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel都是直接继承了 AbstractSelectableChannel抽象类 。大家有兴趣可以看看NIO的源码，各种抽象类和抽象类上层的抽象类。我本人暂时不准备研究NIO源码，因为还有很多事情要做，需要研究的同学可以自行看看。

　　register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

Connect
Accept
Read
Write

　　通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

　　这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

　　如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

1 int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

2.3、SelectionKey介绍

　　一个SelectionKey键表示了一个特定的通道对象和一个特定的选择器对象之间的注册关系。

1 key.attachment(); //返回SelectionKey的attachment，attachment可以在注册channel的时候指定。
2 key.channel(); // 返回该SelectionKey对应的channel。
3 key.selector(); // 返回该SelectionKey对应的Selector。
4 key.interestOps(); //返回代表需要Selector监控的IO操作的bit mask
5 key.readyOps(); // 返回一个bit mask，代表在相应channel上可以进行的IO操作。

　　当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

interest集合
ready集合
Channel
Selector
附加的对象（可选）

　　interest集合

　　就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合，像这样：

1 int interestSet = selectionKey.interestOps();
2 
3 boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；
4 boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
5 boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
6 boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

　　可以看到，用“位与”操作interest 集合和给定的SelectionKey常量，可以确定某个确定的事件是否在interest 集合中。

　　ready集合

　　ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

1 int readySet = selectionKey.readyOps();

　　可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

1 selectionKey.isAcceptable();
2 selectionKey.isConnectable();
3 selectionKey.isReadable();
4 selectionKey.isWritable();

　　Channel + Selector

　　从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

1 Channel  channel  = selectionKey.channel();
2 Selector selector = selectionKey.selector();

　　附加的对象

　　可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

1 selectionKey.attach(theObject);
2 Object attachedObj = selectionKey.attachment();

　　还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

1 SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

2.4、通过Selector选择 channel 通道

　　选择器维护注册过的通道的集合，并且这种注册关系都被封装在SelectionKey当中.

　　Selector维护的三种类型SelectionKey集合：

已注册的键的集合(Registered key set)

　　所有与选择器关联的通道所生成的键的集合称为已经注册的键的集合。并不是所有注册过的键都仍然有效。这个集合通过 keys() 方法返回，并且可能是空的。这个已注册的键的集合不是可以直接修改的；试图这么做的话将引发java.lang.UnsupportedOperationException。

已选择的键的集合(Selected key set)

　　已注册键的集合的子集，这个集合的每个成员都是相关的通道被选择器判断为已经准备好的并且包含于键的interest集合中的操作。这个集合通过selectedKeys()方法返回（有可能是空的）。

　　注意：这些键可以直接从这个集合中移除，但是不能添加。若这么做的话将会抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

已取消的键的集合(Cancelled key set)

　　已注册的键的集合的子集，这个集合包含了 cancel() 方法被调用过的键(这个键已经被无效化)，但它们还没有被注销。这个集合是选择器对象的私有成员，因而无法直接访问。

　　注意：当键被取消（可以通过isValid( ) 方法来判断）时，它将被放在相关的选择器的已取消的键的集合里。注册不会立即被取消，但键会立即失效。当再次调用 select( ) 方法时（或者一个正在进行的select()调用结束时），已取消的键的集合中的被取消的键将被清理掉，并且相应的注销也将完成。通道会被注销，而新的SelectionKey将被返回。当通道关闭时，所有相关的键会自动取消（记住，一个通道可以被注册到多个选择器上）。当选择器关闭时，所有被注册到该选择器的通道都将被注销，并且相关的键将立即被无效化（取消）。一旦键被无效化，调用它的与选择相关的方法就将抛出CancelledKeyException。

　　select()方法介绍：

　　在刚初始化的Selector对象中，这三个集合都是空的。 通过Selector的select（）方法可以选择已经准备就绪的通道 （这些通道包含你感兴趣的的事件）。比如你对读就绪的通道感兴趣，那么select（）方法就会返回读事件已经就绪的那些通道。下面是Selector几个重载的select()方法：

int select()：阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
int select(long timeout)：和select()一样，但最长阻塞时间为timeout毫秒。
int selectNow()：非阻塞，只要有通道就绪就立刻返回。

　　select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

　　一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

1 Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

　　当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下：

 1 Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
 2 Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
 3 while(keyIterator.hasNext()) {
 4     SelectionKey key = keyIterator.next();
 5     if(key.isAcceptable()) {
 6         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
 7     } else if (key.isConnectable()) {
 8         // a connection was established with a remote server.
 9     } else if (key.isReadable()) {
10         // a channel is ready for reading
11     } else if (key.isWritable()) {
12         // a channel is ready for writing
13     }
14     keyIterator.remove();
15 }

　　这个循环遍历已选择键集中的每个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

　　注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。

　　下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

　　SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

2.5.、停止选择的方法

　　wakeUp()

　　某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”。

　　close()

　　用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

三、完整的示例

3.1、模版示例

　　打开一个Selector，注册一个通道注册到这个Selector上(通道的初始化过程略去),然后持续监控这个Selector的四种事件（接受，连接，读，写）是否就绪。

 1 // 打开选择器
 2 Selector selector = Selector.open();
 3 // 使通道处于非阻塞模式
 4 channel.configureBlocking(false);
 5 // 注册通道
 6 SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
 7 while(true) {
 8   // Ï获取一注册的键的集合
 9   int readyChannels = selector.select();
10   if(readyChannels == 0) continue;
11   // 获取已选择的键的集合
12   Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
13   Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
14   while(keyIterator.hasNext()) {
15     SelectionKey key = keyIterator.next();
16     if(key.isAcceptable()) {
17         // 接收就绪
18         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
19     } else if (key.isConnectable()) {
20         // 连接就绪
21         // a connection was established with a remote server.
22     } else if (key.isReadable()) {
23         // 读就绪
24         // a channel is ready for reading
25     } else if (key.isWritable()) {
26         // 写就绪
27         // a channel is ready for writing
28     }
29     keyIterator.remove();
30   }
31 }

3.2、客户端与服务端简单交互实例

 1 public class TestNonBlockingNIO {
 2 
 3     // 服务端
 4     // 此处异常，需要进行try-catch块处理，本例是为了查看方便
 5     @Test
 6     public void server() throws IOException, InterruptedException {
 7         // 1、获取通道
 8         ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
 9         // 2、切换非阻塞模式
10         ssChannel.configureBlocking(false);
11         // 3、绑定连接
12         ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
13         // 4、获取选择器
14         Selector selector = Selector.open();
15         // 5、将通道注册到选择器上，指定监听事件
16         // SelectionKey.OP_ACCEPT: 接收
17         ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
18 
19         // 6、轮询式的获取选择器上已经"准备就绪"的事件
20         while (true) {
21             Thread.sleep(100);
22             int readyNum = selector.select();
23             if (readyNum == 0) {
24                 continue;
25             }
26             System.out.println("就绪事件数量：" + readyNum);
27 
28             // 7、获取当前选择器中所注册的"选择键（已就绪的监听事件）"
29             Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
30             Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
31 
32             // 迭代获取
33             while (it.hasNext()) {
34                 // 8、获取准备就绪的事件的key
35                 SelectionKey key = it.next();
36 
37                 System.out.println("key ==== " + key);
38                 // 9、判断是什么事件准备就绪
39                 if (key.isAcceptable()) {// 接收就绪
40                     System.out.println("-------------通道可接收-------------");
41                     // 10、若"接收就绪"，就获取客户端的连接
42                     SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
43                     // 11、切换非阻塞模式
44                     sChannel.configureBlocking(false);
45                     // 12、将该通道注册到选择器上
46                     sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
47                 } else if (key.isReadable()) {// 读就绪
48                     System.out.println("-------------通道可读-------------");
49                     // 13、获取当前选择器上"读就绪"状态的通道
50                     SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
51                     // 14、读取数据
52                     ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
53                     int len = 0;
54                     while ((len = sChannel.read(buf)) != -1) {
55                         buf.flip();
56                         System.out.println(new String(buf.array(), 0, len));
57                         buf.clear();
58                     }
59                     sChannel.close();
60                 }
61                 // 已经处理过的，取消选着键 SelectionKey sk = it.next();
62                 it.remove();
63             }
64 
65         }
66 
67     }
68 
69     // 客户端
70     // 此处异常，需要进行try-catch块处理，本例是为了查看方便
71     @Test
72     public void client() throws IOException {
73         // 1、获取通道
74         SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
75 
76         // 2、切换非阻塞模式
77         sChannel.configureBlocking(false);
78 
79         // 3、指定大小的缓冲区
80         ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
81 
82         // 4、发送数据给服务端
83         buf.put(new Date().toString().getBytes());
84 
85         buf.flip();
86 
87         sChannel.write(buf);
88         buf.clear();
89 
90         // 5、关闭通道
91         sChannel.close();
92     }
93 
94 }

View Code

　　其他实例：

《基于 Java NIO 实现简单的 HTTP 服务器》