Java NIO 系列文章

Java NIO的三大核心组件：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。其中通道和缓冲区，二者的联系也比较密切：数据总是从通道读到缓冲区内，或者从缓冲区写入到通道中。

至此，前面两个组件已经介绍完毕，下面迎来了最后一个非常重要的角色——选择器（Selector）。

选择器以及注册

选择器是什么?

简单的说：选择器的使命是完成IO多路复用。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO就绪状态。

选择器和通道的关系是什么?

选择器和通道的关系是监控与被监控的关系。选择器监控通道

选择器提供了独特的API方法，能够选出(select)所监控的通道拥有哪些已经准备好的，处于就绪状态的IO事件。

一般来说，一个单线程处理一个选择器，一个选择器可以监控很多通道。通过选择器，一个单线程可以处理数百、数千、数万、甚至更多的通道。在极端情况下（数万个连接），只用一个线程就可以处理所有的通道，这样会大量地减少线程之间上下文切换的开销

选择器和通道如何建立关系？

通道和选择器的关系是通过register(注册)的方式完成的。通过调用通道的Channel.register（Selector sel，int ops）可以将指定通道的一个或多个IO事件类型注册到选择器中

可供选择器监控的通道IO事件类型，包括以下四种：

可读：SelectionKey.OP_READ
可写：SelectionKey.OP_WRITE
连接：SelectionKey.OP_CONNECT
接收：SelectionKey.OP_A

事件类型的定义在SelectionKey类中, 如果选择器要监控通道的多种事件，可以用“按位或”运算符来实现

//监控通道的多种事件，用“按位或”运算符来实现
int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

需要注意：

一个通道，并不一定要支持所有的四种IO事件。例如服务器监听通道ServerSocketChannel，仅仅支持Accept（接收到新连接）IO事件；而SocketChannel传输通道，则不支持Accept（接收到新连接）IO事件
注册到选择器的通道，必须处于非阻塞模式下，否则将抛出IllegalBlockingModeException异常。这意味着，FileChannel文件通道不能与选择器一起使用，因为FileChannel文件通道只有阻塞模式，不能切换到非阻塞模式；而Socket套接字相关的所有通道都可以。

什么是IO事件？

这里的IO事件不是对通道的IO操作，而是通道的某个IO操作的一种就绪状态，表示通道具备完成某个IO操作的条件

比方说，某个SocketChannel通道，完成了和对端的握手连接，则处于“连接就绪”（OP_CONNECT）状态。

再比方说，某个ServerSocketChannel服务器通道，监听到一个新连接的到来，则处于“接收就绪”（OP_ACCEPT）状态。

还比方说，一个有数据可读的SocketChannel通道，处于“读就绪”（OP_READ）状态；一个等待写入数据的，处于“写就绪”（OP_WRITE）状态。

所有通道都可以注册到选择器中吗？

判断一个通道能否被选择器监控或选择，有一个前提：判断它是否继承了抽象类SelectableChannel（可选择通道）。

因此FileChannel文件通道就不能被选择器监控。

SelectionKey选择键

通道和选择器的监控关系注册成功后，就可以选择就绪事件

如何选择就绪事件

调用选择器Selector的select()方法来完成。

一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键的集合中

SelectionKey选择键是什么呢？

简单的说，SelectionKey选择键就是那些被选择器选中的IO事件。

至此我们可以通过下图来理解选择器与通道的关系

选择器的使用流程

使用选择器主要有以下三步:

获取选择器实例；
将通道注册到选择器中；
轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）。

下面通过一个例子来了解Selector的使用：

Discard服务器的功能很简单：仅仅读取客户端通道的输入数据，读取完成后直接关闭客户端通道；并且读取到的数据直接抛弃掉（Discard

服务端

public class NioDiscardServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        startServer();
    }
    public static void startServer() throws IOException {
        // 1 获取选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 2 获取通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 3 通道设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 4 绑定连接，在指定的ip:port 上等待连接
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8088));

        System.out.println("服务器已经启动");

        // 5 将通道注册到 selector 上，并监听 可接收 事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 6 selector 轮询，当有 IO事件 就绪时，执行while内部操作
        while (selector.select() > 0) {
            // 7 获取被选中的IO事件集合，并遍历
            Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
            // 8 获取单个IO事件，并处理
            while (selectedKeys.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = selectedKeys.next();
                // 9 判断IO事件的具体类型
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    // 10 如果当前IO事件 类型为 “连接就绪” , 就获取客户端连接
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 11 将客户端连接设置为 非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 12 将该客户端连接 的 "可读就绪"事件 注册到 selector上
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    // 13 如果当前IO事件 类型为 “可读就绪” , 就获取客户端连接
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    //14 通过Buffer 读取数据
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    while (socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
                        // 切换到读模式
                        byteBuffer.flip();
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
                        // 切换到写模式(清空缓冲区)
                        byteBuffer.clear();
                    }
                    socketChannel.close();
                }
            }
            // 15 移除 选择键
            selectedKeys.remove();
        }
        // 16 关闭 连接
        serverSocketChannel.close();
    }
}

客户端

public class NioDiscardClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        startClient();
    }

    public static void startClient() throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8088));
        socketChannel.configureBlocking(false);

        while (!socketChannel.finishConnect()) {
            // 非阻塞情况下， connect会立即返回， 所以需要 不断的去尝试连接，直到连接成功(自旋)
        }

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        byteBuffer.put("hello world".getBytes());
        byteBuffer.flip();

        // 从byteBuffer 读取数据 到 写入到socketChannel 中
        socketChannel.write(byteBuffer);

        socketChannel.shutdownOutput();

        socketChannel.close();
    }
}

Java NIO--(4)Selector选择器

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