三.Netty入门到超神系列-Java NIO 三大核心(selector,channel,buffer)

Posted 2021-08-30 墨家巨子@俏如来

前言

上一章节我们理解了Java NIO三大核心，以及重点讲解了Buffer的原理和几个使用场景，其中也用到了channel。这一章我们来理解一下selector,结合channel来做一个c/s通信。

理解Selector 和 Channel

Selector 选择器，也叫多路复用器，可以同时处理多个客户端连接，多路复用器采用轮询机制来选择有读写事件的客户端链接进行处理。

通过 Selector ，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。

由于它的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。

这里在整理一下它的工作原理，如图：

Selector ：多路复用器(也叫选择器)的作用就是提供给SocketChannel通道来注册，然后Selector会轮询的去监听通道通道的读写事件从而做出相应的IO处理，它 的工作流程如下：

1. 首先需要创建一个ServerSocketChannel，它类似于(ServerSocket)需要指定一个监听的IP和Port。需要注意的是ServerSocketChannel为了兼容BIO，默认是阻塞的，可以通过ServerSocketChannel#configureBlocking(false)来指定为NIO模式。

   通过ServerSocketChannel 可以获取一个客户端的SocketChannel ,客户端的SocketChannel 需要注册到Selector上,然后每个通道都会对应一个SelectionKey

2. 选择器可以通过Selector.open() 创建，然后将 ServerSocketChannel 注册给Selector 。选择器的 Selector#select() 方法 可以选择有事件的通道(SocketChannel )，并返回已就绪的通道数量.事件类型包括：“连接”，“接收” ，“读”,“写”。

3. 如果 Selector#select() 返回值大于0代表某些通道有事件发生，可以通过 selector.selectedKeys() 来得到所有有事件通道的SelectionKey。

   然后可以通过SelectionKey方向拿到SocketChannel ， 从而将SocketChannel 中的数据读取到Buffer中，完成IO操作。

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 是服务端用来用来监听客户端Socket链接，通过accept方法可以获取客户端SocketChannel，从而将 SocketChannel 注册到Selector，相关方法如下

• open : 创建一个 ServerSocketChannel 通道
• bind(SocketAddress local）：设置服务器端监听的地址和端口号
• configureBlocking(boolean block) ： 设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
• accept() ：接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象SocketChannel
• register(Selector sel, int ops)： 把当前通道注册到选择器，并设置监听事件

SocketChannel

一个客户端链接服务端就会产生通道：ServerChannel ，需要注册到Selector，被Selector监听通道的读写事件。ServerChannel 负责具体的读写，把缓冲区的数据写入通道，或者把通道中的数据写入缓冲区。

• open() ： 得到一个 SocketChannel 通道
• configureBlocking(boolean block)：设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
• connect(SocketAddress remote) ：连接远程服务器，通过SocketAddress 指定IP和端口
• finishConnect()： 如果connect连接失败，就要通过finishConnect方法完成连接操作
• write(ByteBuffer src) ： 把ByteBuffer中的数据，往通道里写
• read(ByteBuffer dst) ：从通道里读数据，写入ByteBuffer
• register(Selector sel, int ops, Object att): 把该通道注册到selector,并设置监听事件(OPS)，最后一个参数可以设置共享数据，该方法会返回一个 SelectionKey ，这个key对应了该通道。
• close() ：关闭通道

SelectionKey

当 ServerChannel 注册到Selector就会产生SelectionKey ， 通过SelectionKey可以反向获得SocketChannel通道对象，从而进行IO读写操作。

• selector(): 通过SelectionKey 获取得到与之关联的 Selector 对象
• channel()：得到与之关联的通道
• attachment()：得到与之关联的共享数据
• interestOps(int ops)：设置或改变监听事件
• isAcceptable()：是否可以 accept，“接收就绪”事件
• isReadable()：是否可以读
• isWritable()：是否可以写

事件包括：

	SelectionKey.OP_CONNECT : 值 16，连接就绪 ，比如：一个 channel连接到一个服务器
	SelectionKey.OP_ACCEPT ： 值 8，接收就绪，比如：ServerSocketChannel准备好接入新的连接
	SelectionKey.OP_READ ：值 1，“读就绪”，通道有可以读数据可以说是
	SelectionKey.OP_WRITE ： 值 4 ，“写就绪” ，等待写数据的通道可以说

Selector

负责采用轮询方式监听通道，当通道有读写事件就进行IO操作。

• open() ：得到一个选择器对象
• select(long timeout)：选择有事件的通道，将其对应的 SelectionKey 加入到内部集合中，返回通道的数量
• selectedKeys() ： 从内部集合中得到所有有事件 SelectionKey
• keys() : 从内部集合中得到所有SelectionKey
• close：关闭选择器

综合案例

使用selector ，ServerSocketChannel，SocketChannel完成一个 C/S 案例，

服务端代码

//通道
@Test
public void serverSocketChannelTest() throws IOException {

   //创建服务端通道
   ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

   //socket监听地址和端口
   SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1",5000);

   //和某个SocketAddress绑定
   serverSocketChannel.bind(socketAddress);

   //NIO默认采用阻塞，为了兼容BIO
   serverSocketChannel.configureBlocking(false);

   //创建选择器
   Selector selector = Selector.open();

   //通道注册到选择器,事件类型为：OP_ACCEPT “接受”
   serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

   //==选择器轮询=======================================================================

   while(true){
       //select,选择有事件的通道，返回有事件发生通道的key的个数  ,超时时间 1s
       if(selector.select(1000) == 0){
           System.out.println("无连接...轮询等待...\\");
           continue;
       }
       //有事件发生,得到有事件的通道的key的集合
       Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
       Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
       //遍历key的集合
       while (iterator.hasNext()){
           //拿到每个通道的key
           SelectionKey key = iterator.next();
           //如果当前通道事件是： OP_ACCEPT ,就注册通道
           if(key.isAcceptable()){
               //接收一个socketChannel
               SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
               System.out.println("客户端链接成功...");
               socketChannel.configureBlocking(false);
               //把socketChannel注册到选择器 ，并给通道绑定一个buffer
               socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocate(1024));
           }

           //如果通道事件是： OP_READ,说明通道有数据
           if(key.isReadable()){
               //通过key得到SocketChannel
               SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
               //得到channel绑定的buffer
               ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer)key.attachment();
               //从通道把数据读取到buffer
               channel.read(byteBuffer);

               System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
           }
           //删除当前key
           iterator.remove();
       }
   }
}

客户端代码

//通道
    @Test
    public void socketChannelTest() throws IOException {
		//创建一个SocketChannel
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

		//使用非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

		//链接的地址和端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 5000);
		//尝试链接，如果使用的异步，那么需要使用 socketChannel.finishConnect() 来确保连接成功。
        if(!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){
        	//如果没链接成功，会通过while循环，直到 finishConnect 链接成功，跳出while
            while(!socketChannel.finishConnect()){
                System.out.println("还未完成链接...等待中...");
            }
        }

        //链接成功，把数据写出去
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你好".getBytes()));
        System.out.println("向服务端发送数据...");
        //防止客户端结束，所以使用read()阻塞
        System.in.read();
    }

总结

本篇文章介绍了Selector ,ServerSocketChannel ，SocketChannel的作用，场景API，和三种的工作原理，并通过一个C/S综合案例来演示三者之间的关系。

文章结束，希望对你有所帮助，你的鼓励是我最大的动力，如果喜欢，请不要吝啬你的一键三连哦！！！