Java NIO Selector
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【正文】netty死磕1.4:
Java NIO Selector 一文全解
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
package com.crazymakercircle.iodemo.base;
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<span style="color: rgb(0, 0, 255);"><</span><span style="color: rgb(128, 0, 0);">SelectionKey</span><span style="color: rgb(0, 0, 255);">></span> 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();
}
}
}
2. NIO编程小结
NIO编程的难度比同步阻塞BIO大很多。
请注意以上的代码中并没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码将会更加复杂。
（1）客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
（2）SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用。
（3）线程模型的优化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降。因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。
源码：
代码工程: JavaNioDemo.zip
