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这篇保证你彻底搞懂Java NIO的Selector事件选择器

Selector提供选择执行已经就绪的任务的能力,使得多元 I/O 成为可能,就绪选择和多元执行使得单线程能够有效率地同时管理多个 I/O channel。

C/C++许多年前就已经有 select()和 poll()这两个POSIX(可移植性操作系统接口)系统调用可供使用。许多os也提供相似的功能,但对Java 程序员来说,就绪选择功能直到 JDK 1.4 才成为可行方案。

简介

获取到SocketChannel后,直接包装成一个任务,提交给线程池。 引入Selector后, 需要将之前创建的一或多个可选择的Channel注册到Selector对象,一个键(SelectionKey)将会被返回。 SelectionKey 会记住你关心的Channel,也会追踪对应的Channel是否已就绪。

每个Channel在注册到Selector时,都有一个感兴趣的操作。

  • ServerSocketChannel 只会在选择器上注册一个,其感兴趣的操作只有ACCEPT,表示其只关心客户端的连接请求
  • SocketChannel,通常会注册多个,因为一个server通常会接受到多个client的请求,就有对应数量的SocketChannel。SocketChannel感兴趣的操作是CONNECTREADWRITE,因为其要与server建立连接,也需要进行读、写数据。

1 Selector

1.1 API

open

  • 打开一个 selector

新的selector是通过调用系统默认的SelectorProvider对象的openSelector方法而创建的。

  • 注意到默认选择器提供者
  • Mac下的JDK,所以我们需要下载对应平台下的 JDK 哦!

Selector.open()不是单例模式的,每次调用该静态方法,会返回新的Selector实例。

2 SelectableChannel

简介

可通过 Selector 被多路复用的channel。

为了与一个 selector 被使用,这个类的一个实例必须首先经由register方法。 该方法返回一个新SelectionKey表示与所述选择channel的注册对象。

  • 使用给定的Selector注册此channel,并返回Selectionkey

一旦与一个Selector注册,直到它的channel残存部分注销。 这包括被分配到由选择的channel任何资源解除分配。

channel不能被直接注销; 相反,代表其注册的键必须取消。 取消键请求信道选择器的下一个选择操作期间注销。 一键可以明确地通过调用其取消cancel方法。 当channel被关闭时,所有的channel的key被隐式关闭,无论是通过调用其close方法或通过中断一个线程阻塞于所述channel的I / O操作。 如果选择器本身被关闭,则通道将被注销,以及表示其注册的键将被无效,而无需进一步的延迟。

虽然说一个通道可以被注册到多个选择器上,但对每个选择器而言只能被注册一次

无论是否channel与一个或多个选择可能通过调用来确定注册isRegistered方法。 可选择的channel是由多个并发线程安全使用。

阻塞模式

可选择的信道或者是在阻断模式或非阻塞模式。 在阻塞模式中,每一个I / O操作在所述信道调用将阻塞,直到它完成。 在非阻塞模式的I / O操作不会阻塞,并且可以传送比被要求或所有可能没有字节更少的字节。 可选择信道的阻塞模式可通过调用其来确定isBlocking方法。 新创建的可选择通道总是处于阻塞模式。 非阻塞模式是在与基于选择复用相结合最有用的。 信道必须被放置到非阻塞模式与一个选择器注册之前,并且可以不被返回到直到它已被注销阻塞模式。

Selector(选择器)是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。

3 为什么使用Selector?

Selector允许单线程处理多个Channel。使用Selector,首先得向Selector注册 Channel,然后调用它的select()。该方法会一直阻塞,直到某个注册的Channel有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子如新连接 进来,数据接收等。

单线程处理多Channel的好处: 只需更少线程处理channel。事实上就是可以只用一个线程处理所有Channel。对于os,线程间上下文切换开销很大且每个线程都要占用系统资源。因此,使用线程越少越好。

但现代os和CPU在多任务方面表现的越来越好,多线程开销变得越来越小。实际上,若CPU是多核的,不使用多任务可能就是在浪费CPU性能。使用Selector能够处理多个通道就足够了。

  • 单线程使用一个Selector处理3个channel示例图

4 Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector,如下:

5 向Selector注册Channel

为了将Channel和Selector搭配使用,必须将channel注册到selector。 通过SelectableChannel.register()

// 必须是非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);
复制代码

configureBlocking

configureBlocking()用于设置通道的阻塞模式,该方法会调用implConfigureBlocking implConfigureBlocking会更改阻塞模式为新传入的值,默认为true,传入false,那么该通道将调整为非阻塞。而NIO最大优势就是非阻塞模型,所以一般都需要设置SocketChannel.configureBlocking(false)。 可以通过调用isBlocking()判断某个socket通道当前处于何种模式。

与Selector一起使用时,Channel必须处于非阻塞模式,所以不能将FileChannel和Selector一起使用,因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而socketChannel都可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“感兴趣的事件集合”,意思是在通过Selector监听Channel时,对什么事件感兴趣。可监听四种不同类型事件:

  • Read

一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。

  • Write

等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

  • Connect

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”。

  • Accept

一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示:

若对不止一种事件感兴趣,那么可以用“|”操作符将常量连接:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;
复制代码

6 SelectionKey

SelectionKey

封装了特定的channel与特定的Selector的注册关系。

SelectionKey对象被SelectableChannel.register(Selector sel, int ops)返回并提供一个表示这种注册关系的标记。

SelectionKey包含两个比特集(以整数形式编码):该注册关系所关心的channel操作及channel已就绪的操作。

interestOps(int) 将此key的interest设置为给定值。 可以随时调用此方法。它是否阻塞以及持续多久取决于实现。

  • 兴趣set确定下一次调用选择器的选择方法之一时,将测试哪些操作类别是否准备就绪。使用创建key时给定的值来初始化兴趣set;以后可以通过interestOps(int)对其进行更改。
  • 准备集标识键的选择器已检测到键的通道已准备就绪的操作类别。创建密钥时,将就绪集初始化为零;否则,将其初始化为零。它可能稍后会在选择操作期间由选择器更新,但无法直接更新。

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

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

interest集合

interest集合

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:

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;
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“位与”interest 集合和给SelectionKey常量,可以确定某事件是否在interest 集合。

ready集合

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。可以这样访问ready集合:

可用像检测interest集合那样检测channel中什么事件或操作已就绪。 也可使用以下四个方法,它们都会返回一个布尔类型:

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();
复制代码

Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下:

附加的对象

可将一个对象或更多信息附到SelectionKe,就能方便识别通道。 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:

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();
复制代码
  • 附加给定对象到该key。

一个被附加的对象可能稍后就会被attachment获取到。 只有一个对象可以在一个时间被附接; 调用此方法使任何先前的附接被丢弃。 当前附接可以通过附加空被丢弃。

还可用register()向Selector注册Channel的时候附加对象。如:

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
复制代码

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多通道,就可调用重载的select()。这些方法返回你所感兴趣的事件(如连接、接受、读或写)已经准备就绪的那些通道。即如果你对“读就绪”通道感兴趣,select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

select() API

select()

阻塞,直到至少有一个channel在你注册的事件上就绪

优雅关闭执行select()的线程

  • 使用volatile boolean变量标识线程是否停止
  • 停止线程时,需要调用停止线程的interrupt()方法,因为线程有可能在wait()或sleep(),提高停止线程的及时性
  • 处于阻塞 IO的处理,尽量使用InterruptibleChannel来代替阻塞 IO。对于NIO,若线程处于select()阻塞状态,这时无法及时检测到条件变量变化,就需要人工调用wakeup(),唤醒线程,使得其可以检测到条件变量。

select(long timeout)

和select()一样,只是规定了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()

不会阻塞,不管什么channel就绪都立刻返回(此方法执行非阻塞的选择操作。若自从上一次选择操作后,没有channel可选择,则此方法直接返回0)。

select()系列方法返回的int值表示有多少channel已就绪,即自上次调用select()方法后有多少channel变成就绪状态。 若调用select()方法,因为有一个channel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。 若对第一个就绪的channel没有做任何操作,现在就有两个已就绪channel。但是在每次select()方法调用之间,只有一个channel就绪了。

selectedKeys()

一旦调用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:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
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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Channel。可通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可遍历该selectedKeys访问就绪的Channel:

	Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
	Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
	while(keyIterator.hasNext()) {
	    SelectionKey key = keyIterator.next();
	    if(key.isAcceptable()) { 
	    } 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
	    }
	    keyIterator.remove();
	}
复制代码

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。

注意每次迭代末尾调用keyIterator.remove()。Selector不会自己从selectedKeys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selectedKeys

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。

wakeUp()

某个线程调用 select() 后阻塞了,即使没有channel已就绪,也有办法让其从select()返回。 只需通过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()。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

若有其它线程调用了wakeup(),但当前没有线程阻塞在select(),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()会关闭该Selector,且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。但channel本身并不会关闭。

示例

打开一个Selector,将一个channel注册到这个Selector,然后持续监控这个Selector的四种事件(接受,连接,读,写)是否就绪。

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
	int readyChannels = selector.select();
	if(readyChannels == 0) continue;
		Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
		Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
		while(keyIterator.hasNext()) {
		SelectionKey key = keyIterator.next();
	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
	}
	keyIterator.remove();
	}
}
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