3.NIO选择器（基于NIO的服务器与客户端通讯）

Posted 2022-08-22 PacosonSWJTU

【README】

本文总结自B站《尚硅谷netty》，很不错；

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【1】选择器Selector（多路复用器）

【1.1】基本介绍

1）Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个客户端连接，就会使用到Selector(选择器)；

2）Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求；

3）只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程；

4）避免了多线程之间的上下文切换导致的开销；

5）特点再说明:

• 5.1） Netty 的 IO 线程NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器，也叫多路复用器*)，可以同时并发处理成百上千个客户端连接；
• 5.2）当线程从某客户端Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务（即线程不会在没有数据可用的客户端连接上阻塞，而是处理其他客户端请求）；
• 5.3） 线程通常将非阻塞IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道；
• 5.4）由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升IO线程的运行效率，避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起；
• 5.5）一个 I/O 线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升；

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【1.2】Selector类相关方法

1）Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:
 

public abstract class Selector implements Closeable 
    public static Selector open();//得到一个选择器对象
    public int select(long timeout);// 返回IO操作准备就绪的通道的key个数；
    // 监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间
    public Set<SelectionKey> selectedKeys();//从内部集合中得到所有的 SelectionKey

【补充】

• 补充1） SelectionKey 与 Channel  是映射关系；通过SelectionKey 可以获取到 Channel ；
• 补充2） SelectionKey 是 Selector的一个重要对象；

 【注意事项】
1） NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket ；
2） selector 相关方法说明：

selector.select()//阻塞
selector.select(1000);//阻塞1000毫秒，在1000毫秒后返回；
selector.wakeup();// 唤醒selector
selector.selectNow();// 不阻塞，立马返还

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【1.3】 SelectionKey在NIO 体系

1）NIO 非阻塞网络编程原理分析图
NIO 非阻塞网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 关系梳理图；

 【图解】 服务器采用NIO非阻塞处理客户端请求步骤：

• Step1）当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel  生成 SocketChannel；
• Step2） 把 SocketChannel注册到Selector上，register(Selector sel, int ops)，1个selector上可以注册多个SocketChannel ；
• Step3）注册后返回一个SelectionKey，会和该Selector 关联(集合)；
• Step4） Selector 监听通道Channel的select方法，返回有事件发生的通道个数.；
• Step5）进一步得到各个SelectionKey (有事件发生)；
• Step6）再通过SelectionKey反向获取SocketChannel , 通过方法channel() 得到；
• Step7）可以通过得到的channel , 完成业务处理；

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【2】基于NIO实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯

1）服务器代码：

/**
 * @Description 编写一个 NIO 入门案例，
 *              实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月17日
 */
public class Nioserver024 
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        // 创建 ServerSocketChannel -> ServerSocket
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 得到选择器 selector
        Selector selector = Selector.open();

        // 绑定端口 6666 ，在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        // 设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 把 serverSocketChannel 注册到 Selector，关心事件为 OP_ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 循环等待客户端连接
        while (true) 
            if (selector.select(3000) == 0)  // 没有事件发生
                System.out.println("服务器等待1秒，无客户端连接");
                continue;
            
            // 如果返回值大于0, 表示监听到有事件发生，
            // 1.获取相关的  SelectionKey 集合
            // 2. selector.selectedKeys 获取关注事件的集合
            // 3. 通过 selectionKeys 反向获取通道；
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 4. 遍历 selectionKeys ，使用迭代器遍历
            Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
            while (it.hasNext()) 
                // 获取到 SelectionKey
                SelectionKey key = it.next();
                // 根据key 对应的通道，发生的事件做不同处理
                if (key.isAcceptable())  // 如果是 OP_ACCEPT，表示有新的客户端连接服务器，则需要产生新的 channel
                    // 给客户端生成一个 SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 需要把 SocketChannel 设置为 非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    System.out.println("客户端连接成功，生成一个 socketChannel， hashcode=" + socketChannel.hashCode());
                    // 把 SocketChannel 注册到 Selector 上，监听 OP_READ 事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                
                if (key.isReadable()) // 只读
                    // 通过key反向获取 Channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    // 获取到该 Channel 关联的 buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    // 把channel里的读入到 ByteBuffer
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("客户端：" + new String(buffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
                
                // 手动从集合中移除 selectionKey，防止重复操作
                it.remove();
            
        

    

2）客户端：

/**
 * @Description NIO 客户端
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月17日
 */
public class NIOClient025 
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        // 得到一个通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 提供服务器端的ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) 
            while(!socketChannel.finishConnect()) 
                System.out.println("连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其他工作");
            
        
        // 若连接到服务器成功，则发送数据到服务器
        String text = "hello 成都";
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        // 发送数据，把buffer中的数据写入到 channel
        socketChannel.write(byteBuffer);
        System.out.println("任意键结束");
        System.in.read();
    

【演示效果】