（四：NIO系列） Java NIO Selector

Posted 2021-12-02 myseries

出处：Java NIO Selector

1.1. Selector入门

1.1.1. Selector的和Channel的关系

　Java NIO的核心组件包括：

　　（1）Channel(通道)

　　（2）Buffer(缓冲区)

　　（3）Selector(选择器)

　　其中Channel和Buffer比较好理解 ，联系也比较密切，他们的关系简单来说就是：数据总是从通道中读到buffer缓冲区内，或者从buffer写入到通道中。

　选择器和他们的关系又是什么？

　　选择器（Selector） 是 Channel（通道）的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 通道的 IO（输入输出） 状况。

　Selector的作用是什么？

　　选择器提供选择执行已经就绪的任务的能力。从底层来看，Selector提供了询问通道是否已经准备好执行每个I/O操作的能力。Selector 允许单线程处理多个Channel。仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道，这样会大量的减少线程之间上下文切换的开销。

1.1.2. 可选择通道(SelectableChannel)

　　并不是所有的Channel，都是可以被Selector 复用的。比方说，FileChannel就不能被选择器复用。为什么呢？

　　判断一个Channel 能被Selector 复用，有一个前提：判断他是否继承了一个抽象类SelectableChannel。如果继承了SelectableChannel，则可以被复用，否则不能。

　SelectableChannel类是何方神圣？

　　SelectableChannel类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。它是所有支持就绪检查的通道类的父类。所有socket通道，都继承了SelectableChannel类都是可选择的，包括从管道(Pipe)对象的中获得的通道。而FileChannel类，没有继承SelectableChannel，因此是不是可选通道。

　通道和选择器注册之后，他们是绑定的关系吗？

　　答案是不是。不是一对一的关系。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。

　　通道和选择器之间的关系，使用注册的方式完成。SelectableChannel可以被注册到Selector对象上，在注册的时候，需要指定通道的哪些操作，是Selector感兴趣的。

1.1.3. Channel注册到Selector

　　使用Channel.register（Selector sel，int ops）方法，将一个通道注册到一个选择器时。第一个参数，指定通道要注册的选择器是谁。第二个参数指定选择器需要查询的通道操作。

　可以供选择器查询的通道操作，从类型来分，包括以下四种：

　　（1）可读 : SelectionKey.OP_READ

　　（2）可写 : SelectionKey.OP_WRITE

　　（3）连接 : SelectionKey.OP_CONNECT

　　（4）接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT

　　如果Selector对通道的多操作类型感兴趣，可以用“位或”操作符来实现：int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

　　注意，操作一词，是一个是使用非常泛滥，也是一个容易混淆的词。特别提醒的是，选择器查询的不是通道的操作，而是通道的某个操作的一种就绪状态。

　什么是操作的就绪状态？

　　一旦通道具备完成某个操作的条件，表示该通道的某个操作已经就绪，就可以被Selector查询到，程序可以对通道进行对应的操作。比方说，某个SocketChannel通道可以连接到一个服务器，则处于“连接就绪”(OP_CONNECT)。再比方说，一个ServerSocketChannel服务器通道准备好接收新进入的连接，则处于“接收就绪”（OP_ACCEPT）状态。还比方说，一个有数据可读的通道，可以说是“读就绪”(OP_READ)。一个等待写数据的通道可以说是“写就绪”(OP_WRITE)。

1.1.4. 选择键(SelectionKey)

　　Channel和Selector的关系确定好后，并且一旦通道处于某种就绪的状态，就可以被选择器查询到。这个工作，使用选择器Selector的select（）方法完成。select方法的作用，对感兴趣的通道操作，进行就绪状态的查询。

　　Selector可以不断的查询Channel中发生的操作的就绪状态。并且挑选感兴趣的操作就绪状态。一旦通道有操作的就绪状态达成，并且是Selector感兴趣的操作，就会被Selector选中，放入选择键集合中。

　　一个选择键，首先是包含了注册在Selector的通道操作的类型，比方说SelectionKey.OP_READ。也包含了特定的通道与特定的选择器之间的注册关系。

　　开发应用程序是，选择键是编程的关键。NIO的编程，就是根据对应的选择键，进行不同的业务逻辑处理。

　　选择键的概念，有点儿像事件的概念。

　选择键和事件的关系是什么？

　　一个选择键有点儿像监听器模式里边的一个事件，但是又不是。由于Selector不是事件触发的模式，而是主动去查询的模式，所以不叫事件Event，而是叫SelectionKey选择键。

1.2. Selector的使用流程

1.2.1. 创建Selector

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

 // 1、获取Selector选择器
Selector selector = Selector.open();

　　Selector的类方法open()内部是向SPI发出请求，通过默认的SelectorProvider对象获取一个新的实例。

1.2.2. 将Channel注册到Selector

　　要实现Selector管理Channel，需要将channel注册到相应的Selector上，如下：

// 2、获取通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4、绑定连接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
// 5、将通道注册到选择器上,并制定监听事件为：“接收”事件
serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　上面通过调用通道的register()方法会将它注册到一个选择器上。

　首先需要注意的是：

　　与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下，否则将抛出异常IllegalBlockingModeException。这意味着，FileChannel不能与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式，而套接字相关的所有的通道都可以。

　另外，还需要注意的是：

　　一个通道，并没有一定要支持所有的四种操作。比如服务器通道ServerSocketChannel支持Accept 接受操作，而SocketChannel客户端通道则不支持。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。

1.2.3. 轮询查询就绪操作

　　万事俱备，可以开干。下一步是查询就绪的操作。

　　通过Selector的select（）方法，可以查询出已经就绪的通道操作，这些就绪的状态集合，包存在一个元素是SelectionKey对象的Set集合中。

　　下面是Selector几个重载的查询select()方法：

　　　　（1）select():阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

　　　　（2）select(long timeout)：和select()一样，但最长阻塞事件为timeout毫秒。

　　　　（3）selectNow():非阻塞，只要有通道就绪就立刻返回。

　　select()方法返回的int值，表示有多少通道已经就绪，更准确的说，是自前一次select方法以来到这一次select方法之间的时间段上，有多少通道变成就绪状态。

　　一旦调用select()方法，并且返回值不为0时，下一步工干啥？

　　通过调用Selector的selectedKeys()方法来访问已选择键集合，然后迭代集合的每一个选择键元素，根据就绪操作的类型，完成对应的操作：

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();
}

　　处理完成后，直接将选择键，从这个集合中移除，防止下一次循环的时候，被重复的处理。键可以但不能添加。试图向已选择的键的集合中添加元素将抛出java.lang.UnsupportedOperationException。

1.3. 一个NIO 编程的简单实例

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

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;

public class SelectorDemo
{

    static class Client
    {
        /**
         * 客户端
         */
        public static void testClient() throws IOException
        {
            InetSocketAddress address= new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_IP, SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);


            // 1、获取通道（channel）
            SocketChannel socketChannel =  SocketChannel.open(address);
            // 2、切换成非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);

            // 3、分配指定大小的缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            byteBuffer.put("hello world  ".getBytes());
            byteBuffer.flip();
            socketChannel.write(byteBuffer);

            socketChannel.close();
        }

        public static void main(String[] args) throws IOException
        {
            testClient();
        }
    }
    static class Server
    {

        public static void testServer() throws IOException
        {

            // 1、获取Selector选择器
            Selector selector = Selector.open();

            // 2、获取通道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 3.设置为非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            // 4、绑定连接
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));

            // 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为：“接收”操作
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            // 6、采用轮询的方式，查询获取“准备就绪”的注册过的操作
            while (selector.select() > 0)
            {
                // 7、获取当前选择器中所有注册的选择键（“已经准备就绪的操作”）
                Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
                while (selectedKeys.hasNext())
                {
                    // 8、获取“准备就绪”的时间
                    SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();

                    // 9、判断key是具体的什么事件
                    if (selectedKey.isAcceptable())
                    {
                        // 10、若接受的事件是“接收就绪” 操作,就获取客户端连接
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        // 11、切换为非阻塞模式
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 12、将该通道注册到selector选择器上
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    else if (selectedKey.isReadable())
                    {
                        // 13、获取该选择器上的“读就绪”状态的通道
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();

                        // 14、读取数据
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int length = 0;
                        while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
                        {
                            byteBuffer.flip();
                            System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                            byteBuffer.clear();
                        }
                        socketChannel.close();
                    }

                    // 15、移除选择键
                    selectedKeys.remove();
                }
            }

            // 7、关闭连接
            serverSocketChannel.close();
        }

        public static void main(String[] args) throws IOException
        {
            testServer();
        }
    }
}