Java NIO之Selector(選擇器)

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歷史回顧:

Java NIO 概覽

Java NIO 之 Buffer(緩衝區)

Java NIO 之 Channel(通道)

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一 Selector(選擇器)介紹

Selector 一般稱 為選擇器 ,當然你也可以翻譯為 多路複用器 。它是Java NIO核心元件中的一個,用於檢查一個或多個NIO Channel(通道)的狀態是否處於可讀、可寫。如此可以實現單執行緒管理多個channels,也就是可以管理多個網路連結。

使用Selector的好處在於: 使用更少的執行緒來就可以來處理通道了, 相比使用多個執行緒,避免了執行緒上下文切換帶來的開銷。

二 Selector(選擇器)的使用方法介紹

1. Selector的建立

通過呼叫Selector.open()方法建立一個Selector物件,如下:

Selector selector = Selector.open();

這裡需要說明一下

2. 註冊Channel到Selector

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

Channel必須是非阻塞的
所以FileChannel不適用Selector,因為FileChannel不能切換為非阻塞模式,更準確的來說是因為FileChannel沒有繼承SelectableChannel。Socket channel可以正常使用。

SelectableChannel抽象類 有一個 configureBlocking() 方法用於使通道處於阻塞模式或非阻塞模式。

abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block)  

注意:

SelectableChannel抽象類configureBlocking() 方法是由 AbstractSelectableChannel抽象類實現的,SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel都是直接繼承了 AbstractSelectableChannel抽象類
大家有興趣可以看看NIO的原始碼,各種抽象類和抽象類上層的抽象類。我本人暫時不準備研究NIO原始碼,因為還有很多事情要做,需要研究的同學可以自行看看。

register() 方法的第二個引數。這是一個“ interest集合 ”,意思是在通過Selector監聽Channel時對什麼事件感興趣。可以監聽四種不同型別的事件:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

通道觸發了一個事件意思是該事件已經就緒。比如某個Channel成功連線到另一個伺服器稱為“ 連線就緒 ”。一個Server Socket Channel準備好接收新進入的連線稱為“ 接收就緒 ”。一個有資料可讀的通道可以說是“ 讀就緒 ”。等待寫資料的通道可以說是“ 寫就緒 ”。

這四種事件用SelectionKey的四個常量來表示:

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

如果你對不止一種事件感興趣,使用或運算子即可,如下:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

3. SelectionKey介紹

一個SelectionKey鍵表示了一個特定的通道物件和一個特定的選擇器物件之間的註冊關係。

key.attachment(); //返回SelectionKey的attachment,attachment可以在註冊channel的時候指定。
key.channel(); // 返回該SelectionKey對應的channel。
key.selector(); // 返回該SelectionKey對應的Selector。
key.interestOps(); //返回代表需要Selector監控的IO操作的bit mask
key.readyOps(); // 返回一個bit mask,代表在相應channel上可以進行的IO操作。

key.interestOps():

我們可以通過以下方法來判斷Selector是否對Channel的某種事件感興趣

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;

key.readyOps()

ready 集合是通道已經準備就緒的操作的集合。JAVA中定義以下幾個方法用來檢查這些操作是否就緒.

//建立ready集合的方法
int readySet = selectionKey.readyOps();
//檢查這些操作是否就緒的方法
key.isAcceptable();//是否可讀,是返回 true
boolean isWritable()://是否可寫,是返回 true
boolean isConnectable()://是否可連線,是返回 true
boolean isAcceptable()://是否可接收,是返回 true

從SelectionKey訪問Channel和Selector很簡單。如下:

Channel channel = key.channel();
Selector selector = key.selector();
key.attachment();

可以將一個物件或者更多資訊附著到SelectionKey上,這樣就能方便的識別某個給定的通道。例如,可以附加 與通道一起使用的Buffer,或是包含聚集資料的某個物件。使用方法如下:

key.attach(theObject);
Object attachedObj = key.attachment();

還可以在用register()方法向Selector註冊Channel的時候附加物件。如:

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

4. 從Selector中選擇channel(Selecting Channels via a Selector)

選擇器維護註冊過的通道的集合,並且這種註冊關係都被封裝在SelectionKey當中.

Selector維護的三種型別SelectionKey集合:

  • 已註冊的鍵的集合(Registered key set)

    所有與選擇器關聯的通道所生成的鍵的集合稱為已經註冊的鍵的集合。並不是所有註冊過的鍵都仍然有效。這個集合通過 keys() 方法返回,並且可能是空的。這個已註冊的鍵的集合不是可以直接修改的;試圖這麼做的話將引發java.lang.UnsupportedOperationException。

  • 已選擇的鍵的集合(Selected key set)

    所有與選擇器關聯的通道所生成的鍵的集合稱為已經註冊的鍵的集合。並不是所有註冊過的鍵都仍然有效。這個集合通過 keys() 方法返回,並且可能是空的。這個已註冊的鍵的集合不是可以直接修改的;試圖這麼做的話將引發java.lang.UnsupportedOperationException。

  • 已取消的鍵的集合(Cancelled key set)

    已註冊的鍵的集合的子集,這個集合包含了 cancel() 方法被呼叫過的鍵(這個鍵已經被無效化),但它們還沒有被登出。這個集合是選擇器物件的私有成員,因而無法直接訪問。

    注意:
    當鍵被取消( 可以通過isValid( ) 方法來判斷)時,它將被放在相關的選擇器的已取消的鍵的集合裡。註冊不會立即被取消,但鍵會立即失效。當再次呼叫 select( ) 方法時(或者一個正在進行的select()呼叫結束時),已取消的鍵的集合中的被取消的鍵將被清理掉,並且相應的登出也將完成。通道會被登出,而新的SelectionKey將被返回。當通道關閉時,所有相關的鍵會自動取消(記住,一個通道可以被註冊到多個選擇器上)。當選擇器關閉時,所有被註冊到該選擇器的通道都將被登出,並且相關的鍵將立即被無效化(取消)。一旦鍵被無效化,呼叫它的與選擇相關的方法就將丟擲CancelledKeyException。

select()方法介紹:

在剛初始化的Selector物件中,這三個集合都是空的。 通過Selector的select()方法可以選擇已經準備就緒的通道 (這些通道包含你感興趣的的事件)。比如你對讀就緒的通道感興趣,那麼select()方法就會返回讀事件已經就緒的那些通道。下面是Selector幾個過載的select()方法:

  • int select():阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒了。
  • int select(long timeout):和select()一樣,但最長阻塞時間為timeout毫秒。
  • int selectNow():非阻塞,只要有通道就緒就立刻返回。

select()方法返回的int值表示有多少通道已經就緒,是自上次呼叫select()方法後有多少通道變成就緒狀態。之前在select()呼叫時進入就緒的通道不會在本次呼叫中被記入,而在前一次select()呼叫進入就緒但現在已經不在處於就緒的通道也不會被記入。例如:首次呼叫select()方法,如果有一個通道變成就緒狀態,返回了1,若再次呼叫select()方法,如果另一個通道就緒了,它會再次返回1。如果對第一個就緒的channel沒有做任何操作,現在就有兩個就緒的通道,但在每次select()方法呼叫之間,只有一個通道就緒了。

一旦呼叫select()方法,並且返回值不為0時,則 可以通過呼叫Selector的selectedKeys()方法來訪問已選擇鍵集合 。如下:
Set selectedKeys=selector.selectedKeys();
進而可以放到和某SelectionKey關聯的Selector和Channel。如下所示:

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();
}

5. 停止選擇的方法

選擇器執行選擇的過程,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呼叫執行緒進入阻塞狀態,那麼我們有以下三種方式可以喚醒在select()方法中阻塞的執行緒。

  • wakeup()方法 :通過呼叫Selector物件的wakeup()方法讓處在阻塞狀態的select()方法立刻返回

該方法使得選擇器上的第一個還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,那麼下一次對select()方法的一次呼叫將立即返回。

  • 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執行緒都被喚醒(類似wakeup()),同時使得註冊到該Selector的所有Channel被登出,所有的鍵將被取消,但是Channel本身並不會關閉。

三 模板程式碼

一個服務端的模板程式碼:

有了模板程式碼我們在編寫程式時,大多數時間都是在模板程式碼中新增相應的業務程式碼

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
ssc.configureBlocking(false);

Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while(true) {
    int readyNum = selector.select();
    if (readyNum == 0) {
        continue;
    }

    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
    
    while(it.hasNext()) {
        SelectionKey key = it.next();
        
        if(key.isAcceptable()) {
            // 接受連線
        } else if (key.isReadable()) {
            // 通道可讀
        } else if (key.isWritable()) {
            // 通道可寫
        }
        
        it.remove();
    }
}

四 客戶端與服務端簡單互動例項

服務端:

package selector;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class WebServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));
            ssc.configureBlocking(false);

            Selector selector = Selector.open();
            // 註冊 channel,並且指定感興趣的事件是 Accept
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(1024);
            ByteBuffer writeBuff = ByteBuffer.allocate(128);
            writeBuff.put("received".getBytes());
            writeBuff.flip();

            while (true) {
                int nReady = selector.select();
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();

                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey key = it.next();
                    it.remove();

                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 建立新的連線,並且把連線註冊到selector上,而且,
                        // 宣告這個channel只對讀操作感興趣。
                        SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        readBuff.clear();
                        socketChannel.read(readBuff);

                        readBuff.flip();
                        System.out.println("received : "   new String(readBuff.array()));
                        key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                    else if (key.isWritable()) {
                        writeBuff.rewind();
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        socketChannel.write(writeBuff);
                        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客戶端:

package selector;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class WebClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));

            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

            writeBuffer.put("hello".getBytes());
            writeBuffer.flip();

            while (true) {
                writeBuffer.rewind();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                readBuffer.clear();
                socketChannel.read(readBuffer);
            }
        } catch (IOException e) {
        }
    }
}

執行結果:

先執行服務端,再執行客戶端,服務端會不斷收到客戶端傳送過來的訊息。

其他例項:

《基於 Java NIO 實現簡單的 HTTP 伺服器》

參考:

官方JDK相關文件

谷歌搜尋排名第一的Java NIO教程

《Java NIO》

《Java 8程式設計官方參考教程(第9版)》

Java NIO Selector詳解(含多人聊天室例項)

Java NIO(6): Selector

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