public class EchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7777;
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("Listening for connection on port " + DEFAULT_PORT);
Selector selector = Selector.open();
initServer(selector);
while (true) {
selector.select();
for (Iterator<SelectionKey> itor = selector.selectedKeys().iterator(); itor.hasNext();) {
SelectionKey key = (SelectionKey) itor.next();
itor.remove();
try {
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
System.out.println("Accepted connection from " + client);
client.configureBlocking(false);
SelectionKey clientKey = client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE|SelectionKey.OP_READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
clientKey.attach(buffer);
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
client.read(buffer);
}
if (key.isWritable()) {
// System.out.println("is writable...");
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
buffer.flip();
client.write(buffer);
buffer.compact();
}
} catch (IOException e) {
key.cancel();
try { key.channel().close(); } catch (IOException ioe) { }
}
}
}
}
private static void initServer(Selector selector) throws IOException,
ClosedChannelException {
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket ss = serverChannel.socket();
ss.bind(new InetSocketAddress(DEFAULT_PORT));
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}
}
上面的代码很典型，运行结果似乎也是正确的。
marlon$ java EchoServer& --> Listening for connection on port 7777 marlon$ telnet localhost 7777 --> Accepted connection from java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:7777 remote=/127.0.0.1:65030] hello --> hello world -->world
但是如果你这时top用看一下发现服务器进程CPU占用到95%以上，如果取消掉32行的注释，服务器会不断地输出"is writable..."，这是为什么呢？让我们来分析当第一个客户端连接上时发生什么情况。
- 在连接之前，服务器第11行：selector.select()处阻塞。当阻塞时，内核会将这个进程调度至休眠状态，此时基本不耗CPU。
- 当客户端发起一个连接时，服务器检测到客户端连接，selector.select()返回。selector.selectedKeys()返回已就绪的SelectionKey的集合，在这种情况下，它只包含一个key，也就是53行注册的acceptable key。服务器开始运行17-25行的代码，server.accept()返回代码客户端连接的socket，第22行在socket上注册OP_READ和OP_WRITE，表示当socket可读或者可写时就会通知selector。
- 接着服务器又回到第11行，尽管这时客户端还没有任何输入，但这时selector.select()不会阻塞，因为22行在socket注册了写操作，而socket只要send buffer不满就可以写，刚开始send buffer为空，socket总是可以写，于是server.select()立即返回，包含在22行注册的key。由于这个key可写，所以服务器会运行31-38行的代码，但是这时buffer为空，client.write(buffer)没有向socket写任何东西，立即返回0。
- 接着服务器又回到第11行，由于客户端连接socket可以写，这时selector.select()会立即返回，然后运行31-38行的代码，像步骤3一样，由于buffer为空，服务器没有干任何事又返回到第11行，这样不断循环，服务器却实际没有干事情，却耗大量的CPU。
从上面的分析可以看出问题在于我们在没有数据可写时就在socket上注册了OP_WRITE，导致服务器浪费大量CPU资源，解决办法是只有数据可以写时才注册OP_WRITE操作。上面的版本还不只浪费CPU那么简单，它还可能导致潜在的死锁。虽然死锁在我的机器上没有发生，对于这个简单的例子似乎也不大可能发生在别的机器上，但是在对于复杂的情况，比如我写的端口转发工具中就发生了，这还依赖于jdk的实现。对于上面的EchoServer，出现死锁的场景是这样的：
- 假设服务器已经启动，并且已经有一个客户端与它相连，此时正如上面的分析，服务器在不断地循环做无用功。这时用户在客户端输入"hello"。
- 当服务器运行到第11行：selector.select()时，这时selector.selectedKeys()会返回一个代表客户端连接的key，显然这时客户端socket是既可读又可写，但jdk却并不保证能够检测到两种状态。如果它检测到key既可读又可写，那么服务器会执行26-38行的代码。如果只检测到可读，那么服务器会执行26-30行的代码。如果只检测到可写，那么会执行31－38行的代码。对于前两种情况，不会造成死锁，因为当执行完29行，buffer会读到用户输入的内容，下次再运行到36行就可以将用户输入内容echo回。但是对最后一种情况，服务器完全忽略了客户端发过来的内容，如果每次selector.select()都只能检测到socket可写，那么服务器永远不能将echo回客户端输入的内容。
避免死锁的一个简单方法就是不要在同一个socket同时注册多个操作。对于上面的EchoServer来说就是不要同时注册OP_READ和OP_WRITE，要么只注册OP_READ，要么只注册OP_WRITE。下面的EchoServer修正了以上的错误：
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("Listening for connection on port " + DEFAULT_PORT);
Selector selector = Selector.open();
initServer(selector);
while (true) {
selector.select();
for (Iterator<SelectionKey> itor = selector.selectedKeys().iterator(); itor.hasNext();) {
SelectionKey key = (SelectionKey) itor.next();
itor.remove();
try {
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
System.out.println("Accepted connection from " + client);
client.configureBlocking(false);
SelectionKey clientKey = client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
clientKey.attach(buffer);
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
int n = client.read(buffer);
if (n > 0) {
buffer.flip();
key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); // switch to OP_WRITE
}
} else if (key.isWritable()) {
System.out.println("is writable...");
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
client.write(buffer);
if (buffer.remaining() == 0) { // write finished, switch to OP_READ
buffer.clear();
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
}
} catch (IOException e) {
key.cancel();
try { key.channel().close(); } catch (IOException ioe) { }
}
}
}
}
主要变化，在第19行接受客户端连接时只注册OP_READ操作，第28行当读到数据时才切换到OP_WRITE操作，第35-38行，当写操作完成时再切换到OP_READ操作。由于一个key同时只能执行一个操作，我将原来三个并行if换成了if...else。
上面的代码不够优雅，它将处理服务器Socket和客户连接Socket的代码搅在一起，对于简单的EchoServer这样做没什么问题，当服务器变得复杂，使用命令模式将它们分开变显得非常必要。首先创建一个接口来抽象对SelectionKey的处理。
interface Handler {
void execute(Selector selector, SelectionKey key);
}
再来看main函数：
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("Listening for connection on port " + DEFAULT_PORT);
Selector selector = Selector.open();
initServer(selector);
while (true) {
selector.select();
for (Iterator<SelectionKey> itor = selector.selectedKeys().iterator(); itor.hasNext();) {
SelectionKey key = (SelectionKey) itor.next();
itor.remove();
Handler handler = (Handler) key.attachment();
handler.execute(selector, key);
}
}
}
private static void initServer(Selector selector) throws IOException,
ClosedChannelException {
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket ss = serverChannel.socket();
ss.bind(new InetSocketAddress(DEFAULT_PORT));
serverChannel.configureBlocking(false);
SelectionKey serverKey = serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
serverKey.attach(new ServerHandler());
}
main函数非常简单，迭代SelectionKey，对每个key的attachment为Handler，调用它的execute的方法，不用管它是服务器Socket还是客户Socket。注意initServer方法将serverKey附加了一个ServerHandler。下面是ServerHandler的代码：
class ServerHandler implements Handler {
public void execute(Selector selector, SelectionKey key) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = null;
try {
client = server.accept();
System.out.println("Accepted connection from " + client);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return;
}
SelectionKey clientKey = null;
try {
client.configureBlocking(false);
clientKey = client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
clientKey.attach(new ClientHandler());
} catch (IOException e) {
if (clientKey != null)
clientKey.cancel();
try { client.close(); } catch (IOException ioe) { }
}
}
}
ServerHandler接收连接，为每个客户Socket注册OP_READ操作，返回的clientKey附加上ClientHandler。
class ClientHandler implements Handler {
private ByteBuffer buffer;
public ClientHandler() {
buffer = ByteBuffer.allocate(100);
}
public void execute(Selector selector, SelectionKey key) {
try {
if (key.isReadable()) {
readKey(selector, key);
} else if (key.isWritable()) {
writeKey(selector, key);
}
} catch (IOException e) {
key.cancel();
try { key.channel().close(); } catch (IOException ioe) { }
}
}
private void readKey(Selector selector, SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
int n = client.read(buffer);
if (n > 0) {
buffer.flip();
key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); // switch to OP_WRITE
}
}
private void writeKey(Selector selector, SelectionKey key) throws IOException {
// System.out.println("is writable...");
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
client.write(buffer);
if (buffer.remaining() == 0) { // write finished, switch to OP_READ
buffer.clear();
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
}
}
这个代码没有什么新内容，只是将根据key是可读还可写拆分为两个方法，代码结构显得更清晰。对于EchoServer，这么做确实有些过度工程，对于稍微复杂一点的服务器这么做是很值得的。
代码：EchoServer.java, EchoServer2.java, EchoServer3.java
参考：