Java NIO系列 - Selector

Posted 2021-01-08 零壹技术栈

前言

Selector 是 Java NIO 中的一个组件，用于检查一个或多个通道 Channel 的状态是否处于可读、可写状态。如此可以实现单线程管理多个通道，也就是可以管理多个网络连接。

为什么使用Selector?

用单线程处理多个 Channel 的好处是我需要更少的线程来处理 Channel 。实际上，你甚至可以用一个线程来处理所有的Channel。从操作系统的角度来看，切换线程的开销是比较昂贵的，并且每个线程都需要占用系统资源，因此暂用线程越少越好。

简而言之，通过 Selector 我们可以实现单线程操作多个 Channel。下面是单线程使用一个 Selector 处理 3 个 Channel 的示例图：

---

正文

Selector的组件

Java NIO Selector中有三个重要的组成：Selector、SelectableChannel 和 SelectionKey。

(一) 选择器(Selector)

Selector选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。选择器所在线程不停地更新通道的就绪状态，对通道注册的连接、数据读写事件等事件进行响应。

(二) 可选择通道(SelectableChannel)

SelectableChannel 是一个抽象类，提供了通道的可选择性所需要的公共方法的实现，它是所有支持就绪检查的通道类的父类。

因为 FileChannel 类没有继承 SelectableChannel，因此不是可选通道。而所有 Socket 通道都是可选择的，包括从管道 (Pipe) 对象的中获得的通道。
SelectableChannel 可以被注册到 Selector 对象上，并且注册时可以指定感兴趣的事件操作，比如：数据读取、数据写入操作。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。

(三) 选择键(SelectionKey)

选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系。选择键对象由被 SelectableChannel.register() 返回并提供一个表示这种注册关系的标记。选择键包含了两个比特集(以整数的形式进行编码)，指示了该注册关系所关心的通道操作，以及通道已经准备好的操作。

Selector的使用

(一) 创建Selector对象

Selector 对象是通过调用静态工厂方法 open() 来实例化的，如下：

1	Selector Selector = Selector.open();

(二) 将SelectableChannel注册到Selector

为了将 Channel 和 Selector 配合使用，必须将 Channel 注册到 Selector 上。通过 SelectableChannel.register() 方法来实现，如下：

1 2 3

channel.configureBlocking(false); // 对读操作感兴趣，向Selector注册读事件 SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);

与 Selector 一起使用时，Channel 必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将 FileChannel 与 Selector 一起使用，因为 FileChannel 不能切换到非阻塞模式，而套接字通道都可以。

注意 register() 方法的第二个参数。这是一个兴趣 (interest) 集合，意思是在通过 Selector 监听 Channel 时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

• 连接操作(Connect)：监听 SocketChannel 到来的连接事件。
• 接受操作(Accept)：对应常量 SelectionKey.OP_ACCEPT，专注于监听 ServerSocketChannel 接受 SocketChannel 的事件。
• 读操作(Read)：对应常量 SelectionKey.OP_READ，监听数据完全到达，通道可读的事件。
• 写操作(Write)：对应常量 SelectionKey.OP_READ，监听数据准备完成，通道可写的事件。

注意：并非所有的操作在所有的可选择通道上都能被支持。比如 ServerSocketChannel 支持 Accept操作，而 SocketChannel 中不支持。我们可以通过通道上的 validOps() 方法来获取特定通道下所有支持的操作集合。

以上四种事件用 SelectionKey 的四个常量来表示：

1 2 3 4

public static final int OP_READ = 1 << 0; // 1 public static final int OP_WRITE = 1 << 2; // 4 public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; // 8 public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4; // 16

如果一个通道同时对多种操作感兴趣，可以用 “位或” 操作符将常量连接起来，如下：

1	int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

(三) 为SelectionKey绑定附加对象

可以将一个对象或者更多信息附着到 SelectionKey 上，这样就能方便的识别某个给定的通道。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：

1 2	selectionKey.attach(theObject); Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用 register() 方法向 Selector 注册 Channel 的时候附加对象，例如：

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

如果要取消该对象，则可以通过该种方式:

1	selectionKey.attach(null);

(四) 通过Selector选择通道

一旦向 Selector 注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的 select() 方法。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。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select() 方法会返回读事件已经就绪的那些通道的 SelectionKey。

下面是 select() 方法的几个重载：

• int select()：阻塞到至少有一个通道在此选择器注册的事件上就绪了。
• int select(long timeout)：select(long timeout) 和 select() 一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
• int selectNow()：不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回。如果没有通道变成可选择的，则此方法直接返回 0。

也可以通过遍历 SelectionKey 上的已选择键集合来访问就绪的通道，如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator(); while(keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if(key.isAcceptable()) { // 一个连接被ServerSocketChannel接受 } else if (key.isConnectable()) { // 与远程服务器建立了连接 } else if (key.isReadable()) { // 一个channel做好了读准备 } else if (key.isWritable()) { // 一个channel做好了写准备 } keyIterator.remove(); }

注意：每次迭代完成时 Selector 自己不会将已经处理完成的 SelectionKey实例移除，在迭代的末尾需要调用 keyIterator.remove() 方法手动移除。

SelectionKey.channel() 方法返回的通道需要强转为你要处理的类型，如：ServerSocketChannel 或 SocketChannel 等。

Selector完整实例

服务端代码

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); Selector selector = Selector.open(); serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { int number = selector.select(); if (number == 0) continue; Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); if (selectionKey.isAcceptable()) { // 获取客户端通道 SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); socketChannel.configureBlocking(false); // 将客户端通道注册到选择器上 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufferSize)); } if (selectionKey.isReadable()) { handleRead(selectionKey); } if (selectionKey.isWritable()) { handleWrite(selectionKey); } if (selectionKey.isConnectable()) { System.out.println("Isonnectable := true"); } iterator.remove(); } }

服务端操作过程

1. 创建 ServerSocketChannel 实例，设置为非阻塞模式，并绑定指定的服务端口；
2. 创建 Selector 实例；
3. 将 serverSocketChannel 注册到 selector 上面，并指定事件 OP_ACCEPT，最底层的 socket 通过 channel 和 selector 建立关联；
4. 如果没有准备好 (Accept) 的socket，select方法会被阻塞一段时间并返回 0；
5. 如果底层有 socket 已经准备好，selector 的 select() 方法会返回 socket 的个数，而且 selectedKeys 方法会返回 socket 对应的事件(connect、accept、read 和 write)；
6. 根据事件类型，进行不同的处理逻辑。

总结

这里简单的介绍了 Java NIO 中选择器的用法，有关 Selector 底层的实现原理需要进一步查看源码。

---

欢迎关注技术公众号： 零壹技术栈

零壹技术栈

本帐号将持续分享后端技术干货，包括虚拟机基础，多线程编程，高性能框架，异步、缓存和消息中间件，分布式和微服务，架构学习和进阶等学习资料和文章。