6. NIO三核心（Selector）

Posted 2021-03-19 qmillet

 一、Selector

 1. 基本介绍

① Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，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。【示意图】
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 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。
⑥ 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。
⑦ 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。
⑧ 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。
⑨ 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。

 

2. Selector

Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:

1 public abstract class Selector implements Closeable { 
2 　　public static Selector open();//得到一个选择器对象
3     //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
4 　　public int select(long timeout);
5 　　public Set<SelectionKey> selectedKeys();//从内部集合中得到所有的     SelectionKey    
6 }

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

 

3. NIO非阻塞网络编程原理分析图

 

 

① 当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel 得到 SocketChannel

② 将socketChannel注册到Selector上, register(Selector sel, int ops), 一个selector上可以注册多个SocketChannel

③ 注册后返回一个 SelectionKey, 会和该Selector 关联(集合)
④ Selector 进行监听  select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.
⑤ 进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
⑥ 再通过 SelectionKey  反向获取 SocketChannel , 方法 channel()
⑦ 可以通过 得到的 channel  , 完成业务处理

【代码演示】案例要求:  
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）。目的：理解NIO非阻塞网络编程机制

服务端

 1 import java.net.InetSocketAddress;
 2 import java.nio.ByteBuffer;
 3 import java.nio.channels.*;
 4 import java.util.Iterator;
 5 import java.util.Set;
 6 
 7 public class Nioserver {
 8     public static void main(String[] args) throws Exception{
 9 
10         //①创建ServerSocketChannel -> ServerSocket
11         ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
12         //绑定一个端口6666, 在服务器端监听
13         serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
14         //设置为非阻塞
15         serverSocketChannel.configureBlocking(false);
16 
17         //②得到一个Selecor对象
18         Selector selector = Selector.open();
19 
20         //③把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPT连接事件
21         serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
22 
23         System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); // 1
24 
25         //循环等待客户端连接
26         while (true) {
27 
28             //这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回
29             if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生
30                 System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");
31                 continue;
32             }
33             //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
34             //1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件
35             //2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
36             // ④⑤通过 selectionKeys 反向获取通道
37             Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
38             System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());
39 
40             //遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历
41             Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
42 
43             while (keyIterator.hasNext()) {
44                 //获取到SelectionKey
45                 SelectionKey key = keyIterator.next();
46                 //根据key 对应的通道发生的事件做相应处理
47                 if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
48                     //⑥ 该客户端生成一个 SocketChannel
49                     SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
50                     System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
51                     //将 SocketChannel 设置为非阻塞
52                     socketChannel.configureBlocking(false);
53                     //将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel
54                     //关联一个Buffer
55                     socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
56                     System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..
57                 }
58                 if(key.isReadable()) {  //发生 OP_READ
59 
60                     //通过key 反向获取到对应channel
61                     SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
62 
63                     //获取到该channel关联的buffer
64                     ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
65                     channel.read(buffer);
66                     System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));
67 
68                 }
69                 //手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
70                 keyIterator.remove();
71             }
72         }
73     }
74 }

 

客户端

 1 import java.net.InetSocketAddress;
 2 import java.nio.ByteBuffer;
 3 import java.nio.channels.SocketChannel;
 4 
 5 public class NIOClient {
 6     public static void main(String[] args) throws Exception{
 7         //得到一个网络通道
 8         SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
 9         //设置非阻塞
10         socketChannel.configureBlocking(false);
11         //提供服务器端的ip 和 端口
12         InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
13         //连接服务器
14         if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {
15 
16             while (!socketChannel.finishConnect()) {
17                 System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");
18             }
19         }
20         //...如果连接成功，就发送数据
21         String str = "hello, 尚硅谷~";
22         //Wraps a byte array into a buffer
23         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
24         //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
25         socketChannel.write(buffer);
26         System.in.read();
27     }
28 }

 

 4. SelectionKey

① SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系, 共四种:　
　　int OP_READ：代表读操作，值为 1
　　int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

　　int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8

　　int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16

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

 

 ② 方法

 

1 public abstract class SelectionKey {
2      public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象
3      public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道
4      public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据
5      public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件
6      public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept
7      public final boolean isReadable();//是否可以读
8      public final boolean isWritable();//是否可以写
9 }

 

 

 

 

 

 

 5. ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接。

1 public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel  implements NetworkChannel{
2     public static ServerSocketChannel open()//得到一个 ServerSocketChannel 通道
3     public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)//设置服务器端端口号
4     public final SelectableChannel 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
5     public SocketChannel accept()//接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象
6     public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)//注册一个选择器并设置监听事件
7 }

 

 

 

 6. SocketChannel

SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。

 1 public abstract class SocketChannel extends AbstractSelectableChannel
　　implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{
 2     public static SocketChannel open();//得到一个 SocketChannel 通道
 3     public final SelectableChannel 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
 4     public boolean connect(SocketAddress remote);//连接服务器
 5     public boolean finishConnect();//如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作
 6     public int write(ByteBuffer src);//往通道里写数据
 7     public int read(ByteBuffer dst);//从通道里读数据
 8     public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注册一个选择器并设置监听事件，最后一个参数可以设置共享数据
 9     public final void close();//关闭通道
10 }