【NIO】Selector 详解

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前言：

在本人之前的博文中，本人讲解了 NIO 的 三大核心知识点 之二 的 Channel 和 Buffer

相较于 BIO，Channel 和 Buffer，主要是体现在 数据传输的方面
但是，NIO 的 非阻塞 特性，还有一个非常总要得到 组成部分 —— Selector

那么，时隔一年多，在掌握了很多的知识之后，本篇博文中，本人将继续讲解 NIO 的核心知识点 —— Selector：

在讲解其原理之前，本人先来讲解下 Selector 这个组件的 作用：

作用：

Selector 可以检测 多个注册的通道，是否 有事件发生
如果 有事件发生，就 获取事件，然后针对每一个事件，进行相应的处理
这样，就可以只用 单线程、非阻塞式 地去 管理多个通道 的 连接和请求

总结下上面的描述，可以用一个词来概括 —— 多路复用

如下图所示：
作用

那么，看了上述的 作用 描述，我们也能总结出来，Selector 概念的提出，使得 NIO 具备了如下 优点：

优点：

  • 单线程 监听事件，避免了 多线程 上下文切换导致 的 开销
  • 只有在 有事件发生 时，才会进行 读写，
    不用为了 每个连接 都创建 一个线程 去 处理读写
    大大 减少了系统开销

其实，总结来总结去，就是 多路复用 的优点

那么，讲了 Selector 的作用，并在 分析了其优点 之后，本人来讲解下 API 的使用：

API 使用：

常用API：

方法 描述
static Selector open() 获取 一个 Selector对象
Set keys() 返回 此选择器 所注册 的 键集
Set selectedKeys() 返回 此选择器 所注册的、并且有事件发生 的 键集
boolean isOpen() 判断 此选择器 是否已打开

那么，现在本人就来通过上述API，以及之前几篇博文的内容，来编写一个 NIO模式 的 Server端：

使用示例：

package edu.youzg.demo;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @Author: Youzg
 * @CreateTime: 2021-04-30 17:45
 * @Description: 带你深究Java的本质！
 */
public class SelectorDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 serverSocket
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 将 serverSocket 设置为 非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 创建 selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 为 selector 注册 监听serverSocket的“连接事件”
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务器启动成功！开始监听客户端连接...");

        while (true) {
            // 阻塞监听 注册的事件发生
            selector.select();

            // 获取 注册过的、并且发生的事件 的键集
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectedKey = iterator.next();
                if (selectedKey.isAcceptable()) {   // 处理 “连接事件”
                    // 获取 触发“连接事件”的 serverSocketChannel
                    // （触发“连接事件”，一定是 ServerSocketChannel）
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) selectedKey.channel();
                    // 接收当前客户端的连接，并创建一个 socketChannel对象 与其通信
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    // 将 socketChannel 设置为 非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);

                    // 为 selector 注册 监听当前连接的socketChannel的“read事件”
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端[" + socketChannel.getRemoteAddress() + "]连接成功！");
                } else if (selectedKey.isReadable()) {  // 处理 “read事件”
                    // 获取 触发“read事件”的 socketChannel
                    // （触发“read事件”，一定是 socketChannel）
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();
                    // 创建一个用于接收 客户端消息的 buffer
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int msgLen = socketChannel.read(buffer);

                    if (msgLen > 0) {   // 如果 客户端消息有数据，则打印出来
                        System.out.println("客户端[" + socketChannel.getRemoteAddress() + "]消息：" + new String(buffer.array()));
                    } else if (msgLen == -1) {  // 如果 客户端请求 “断开连接”，则关闭当前socketChannel
                        System.out.println("客户端[" + socketChannel.getRemoteAddress() + "]断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }

                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }

}

那么，我们来运行下上述代码，来看看基本功能是否编写成功：

运行展示：

首先，我们在 cmd 中，通过 telnet 的方式，连接上文所写的服务器：

telnet 127.0.0.1 9000

telnet
可以看到：

客户端连接事件，被监听并处理了！

接着，我们切换到 telnet命令界面：

Ctrl + ]

进入
接着，我们来发送几条消息：

send Hello,Youzg.
send Youzg is a good man!

发送

可以看到：

客户端消息，处理成功了！

最后，我们来测试下 断开连接事件，是否也会被 监听并处理：

quit

quit
可以看到：

客户端 断开连接事件，被监听并处理了！

但是，上文所讲内容，是非常基础的
如果本文在一年前进行发布，上文可以作为全部内容
但是，在历经了一年后，阅读了很多源码，了解了更多的底层知识，甚至接手了一些项目之后，我们就要来了解下其 多路复用 特性，是如何实现的：

核心源码：

在上文中，我们也能发现：

我们使用 Selector，主要是调用了其如下几个方法：

Selector.open()  //创建多路复用器
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)  //将channel和对应事件 注册到多路复用器上
selector.select()  // 阻塞等待 注册的事件发生

那么，本人就来讲解下上述三个方法的底层源码实现：

Selector.open：

分析流程：

1
我们跟进去 provider()方法，看看是如何执行的：
2
那么，我们继续跟进去，看看是如何 获取selector提供器 的：
3

我们可以看到：

创建了一个 Windows系统的selector提供器

那么，有 Windows版本的提供器，就一定有 Linux版本的提供器

但是，如果我们在IDEA这种Java编译器中跟踪源码，只能跟踪到上图那些 Windows系统的JDK源码
(因为在我们下载JDK时，就根据 系统版本，选择了 不同的JDK)

那么，本人就用其它编译器，打开下载好的 OpenJDK源码，看看 Linux版本 下，是如何获取 selector提供器 的：
linux
我们可以看到：

如果是 Linux系统，创建的 selector提供器 的 类型 就会是 EPollSelectorProvider

由于 Windows操作系统 的源码，是 闭源 的，会阻碍之后内容的讲解
那么，现在本人就来通过Linux版本的实现，讲解下 Selector的 多路复用 功能 的 具体实现：
1

可以看到：

provider() 方法，在Linux操作系统上，创建了一个 EPollSelectorProvider 对象

5

而之后的 openServerSocketChannel()方法，在Linux操作系统上，则调用了 EPollSelectorProvider 对象 的 openSelector()方法，创建了一个 EPollSelectorImpl对象

那么， 我们再来看看 EPollSelectorImpl对象 的 单参构造 具体执行了什么：
单参

可以看到：

单参构造，内部 创建了一个 EPollArrayWrapper对象
这也是 Selector 实现 多路复用 功能的 核心

那么，我们继续跟进去，看看底层是如何实现的：
核心
我们可以看到：

其内部调用了 一个 epollCreate()方法

而好巧不巧，epollCreate()方法 是一个 native的本地方法：
本地

那么，为了秉持 一究到底 的态度，本人来展示下 这个本地方法 的 具体实现：
cpp

那么，我们来看看，epoll_create函数 的功能是什么：
man

int epoll_create(int size);

我们可以看到：

根据 Linux官方描述：
epoll_create函数 的作用是：
创建一个epoll对象，并且返回其 文件描述符(用于定位该对象)

参数size 代表可能会容纳 size个描述符，但 size 不是 一个 最大值，只是提示操作系统它的 数量级，现在这个参数基本上已经弃用了

到这里，就基本上到了最底层 —— Linux内核函数 了

总结：

Selector.open()方法，其本质上，是创建了一个 epoll对象

那么，我们再来看看 socketChannel.register(arg1, arg2) 方法，其底层是如何实现的：

socketChannel.register：

分析流程：

1
我们可以看到：

这是一个 包装方法，我们继续跟进

2
我们继续跟进 212行代码：
3

那么，我们来看看，是如何进行 注册 的：
4
我们可以看到：

调用了 Windows系统版本的选择器实现类 的 implRegister()方法

与之前分析同理，我们来看看在 Linux操作系统 下，JDK 是如何进行实现的：
核心实现
从上图中，我们可以看出：

implRegister()方法 的 本质，是：
向 Selector.open 这一步时创建的 pollWrapper对象 的 内部维护的集合 中，存放 目标socketChannel对象

总结：

socketChannel.register 方法，其本质上，是 向 Selector.open 这一步时创建的 pollWrapper对象 的 内部维护的集合 中，存放 目标socketChannel对象

那么，最后就是Selector最最最重要的 selector.select方法：

selector.select：

分析流程：

1
我们继续跟进：
2
我们可以看到：

其内部调用了一个方法，阻塞式监听 注册的事件

3
我们可以看到：

其内部通过加锁方式，保证了 同步

我们继续跟进去，看看是如何进行 事件监听 的：
4
我们可以看到：

调用了 Windows系统版本的selector实现类 的 doSelected()方法

那么，我们还是来看看 Linux版本 下，是如何实现 事件监听 的：
5
我们可以看到：

又调用了 pollWrapper对象 的 poll()方法，实现了 监听事件 的功能

那么，我们来看看，poll()方法 底层是如何实现的：
6

我们首先来看看 更新注册事件 是如何实现的：
7
我们跟进 299行 代码：

8
可以看到：

又是调用了 本地方法

那我们来 Linux系统 上，看看其是如何介绍的：
linux

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

我们可以看到：

根据 Linux官方描述：
epoll_ctl函数 的作用是：
使用 文件描述符epfd 引用的 epoll实例，对 目标文件描述符fd 执行 op操作

  • 参数epfd 表示 epoll对应的 文件描述符
  • 参数fd 表示 socket对应的文件描述符
  • 参数op 有以下几个值：
    EPOLL_CTL_ADD：注册 新的fd到epfd中，并关联事件event；
    EPOLL_CTL_MOD：修改 已经注册的fd的监听事件；
    EPOLL_CTL_DEL：从epfd中 移除fd，并且忽略掉绑定的event，这时event可以为null；
  • 参数event 是一个 结构体

简而言之，就是 真正地 将事件注册到selector的结构体上

那么，我们再来看看之后的 epoll_wait()方法 在底层是如何实现的：
wait
可以看到：

又是调用了 本地方法

那我们来 Linux系统 上，看看其是如何介绍的：

10

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

我们可以看到：

根据 Linux官方描述：
epoll_wait函数 的作用是：
等待 文件描述符epfd上的事件

  • 参数epfd 表示 Epoll对应的文件描述符
  • 参数events 表示 调用者所有可用事件的集合
  • 参数maxevents 表示 最多等到多少个事件就返回
  • 参数timeout 表示 超时时间

总结：

selector.select方法，其本质上，是 阻塞并监听 在socketChannel.register 这一步 注册的事件，并将 监听到的事件 注册到 epoll对象 的 rdlist 中去

那么，本人最后，通过一张 流程图，来总结下上面三个方法的 底层执行逻辑：

流程图：

流程图

那么，至于为什么 epoll对象 能实现 多路复用，就是 操作系统 的知识

本人在这里通过比较，来为同学们普及一下：

select、poll 与 epoll：

| | select | poll | epoll(jdk 1.5及以上) |
|--|--|--|--|--|
| 操作方式 | 遍历 | 遍历| 回调|
| 底层实现 | 数组 | 链表| 哈希表|
| IO效率 | 每次调用 都进行 线性遍历
时间复杂度 为 O(n) | 每次调用 都进行 线性遍历
时间复杂度为 O(n)| 事件通知 方式
每当有 IO事件就绪，系统注册的回调函数 就会被调用
时间复杂度 为 O(1) |
| 最大连接 |有上限 |无上限 | 无上限 |

那么，至此，相信同学们基本上能了解 NIO 的 Selector 的 作用以及实现原理 了！
(码到这里，也到了5.1的凌晨2：55了，睡了睡了😴)
结束

posted @ 2021-05-01 03:01  在下右转，有何贵干  阅读(784)  评论(1)  编辑  收藏  举报