Java NIO 中 Selector 解析

一、Selector 简介

1、Selector 和 Channel 关系

Selector 一般称为选择器，可以翻译为 多路复用。它是 Java NIO 核心组件中的一个，用于检查一个或者多个 NIO Channel (通道) 的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个 Channels ， 也就是可以管理多个网络链接。

使用 Selector 的好处在于：使用更少的线程就可以来处理通道了，相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销。

2、可选择通道（SelectableChannel）

（1）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。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。

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

（3）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，在注册时候，需要指定通道的那些操作，是 Selector 感兴趣的。

3、Channel 注册到 Selector

（1）使用Channel.register(Selector sel, int pos) 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。第二个参数指定选择器需要查询的通道操作。

（2）可供选择器查询的通道操作，从类型类分，包括一下四种：

• 可读：SelectionKey.OP_READ
• 可写：SelectionKey.OP_WRITE
• 连接：SelectionKey.OP_CONNECT
• 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：

比如int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

（3）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”状态(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）。

4、选择键（SelectionKey）

（1）Channel 注册之后，并且一旦通道处于某种就绪状态，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。

（2）Selector 可以不断的查询 Channel 中发生的操作的就绪状态。并且选择甘心去的操作就绪状态。一旦通道有操作的就绪状态达成，并且是 Selecor 感兴趣的操作，就会被 Selector 选中，放入选择键集合中。

（3）一个选择键，首先包含了注册在 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 编程，就是更具对应的选择键，进行不同的业务逻辑处理。

（4）选择键的概念，和事件的概念比较相似。一个选择键类似监听器模式里面的一个事件。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。

二、Selector 的使用方法

1、Selector 的创建

通过 Selector.open() 方法创建一个 Selector 对象。如下；

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

2、注册 Channel 到 Selector

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

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

// 2. 获取通道
ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

// 3. 设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

// 4. 绑定连接
socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));

// 5. 将通道注册到选择器
socketChannel.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。

需要注意的是：

（1）与 Selector 一起使用， 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通道都可以。

（2）一个通道，并没有一定要持有所有的四种操作。比如服务器通道 ServerSocketChannel 支持 Accept 接收操作，而 SocketChannel 客户端通道则不支持。可以通过通道上的 vildOps() 方法，来获取特定通道下所支持的操作集合。

3、轮训查询就绪操作

（1） 通过 Selector 的 select() 方法， 可以查询出已经就绪的通道操作，有些就绪的状态集合，包含在一个元素是 Selectionkey 对象的 Set 集合中

（2） 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。
2. select(long timeout) 和 select() 一样，但最长阻塞事件为 timeout 毫秒。
3. selectNow() 非阻塞，只要有通道就立即返回。
4. select() 方法返回的 int 之，表示有多少通道已经就绪，准确的说目前一次 select

方法来到这一次 select 方法之间的时间段上，有多少个通道编程了就绪状态。

例如：首次调用 select() 方法，如果有一个通道编程了就绪状态，返回了 1 ， 若子啊次调用 select() 方法，如果另外一个通道就绪了，它会再次返回 1。 如果第一个就绪的 chnanel 么有做任何操作，现在就有两个就绪通道，但是每次 select() 方法调用之间，只有一个通道就绪了。

一旦调用 select() 方法，并且返回值部位 0 时，在 Selector 中有一个 seletedKeys() 方法，用来范围已选择键集合，迭代集合的每个以元素，根据就绪操作的类型，完成对应的操作

// 查询已经就绪的通道操作
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = iterator.next();

    // 判断 key 就绪状态操作
    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
    }
}
iterator.remove();

4、停止选择的方法

选择器执行选择的过程汇总，系统底层会依次询问每个通道是否已经就绪，这个过程可能会造成调用线程进入阻塞状态，那么我们有一下三种方式可以唤醒在 select（）方法中阻塞的线程。

wakeup() 方法：通过调用 Selector 对象的 wakeup() 方法让处于阻塞状态的 select() 方法立刻返回

该方法使得选择器上的第一个哈没有返回的选择操作立即返回。如果当前没有进行中的选择操作，那么下一次会对 select() 方法的一次调用立即返回。

close() 方法： 通过 close() 方法关闭 selector

该方法使得任何一个在选择操作中阻塞的线程都被唤醒（类似 wakeup()） , 同时使的注册到该 Selector 的所有 Channel 被注销，所有的键都被取消，但是 Channel 本身不会关闭。

三、示例代码

1、服务端代码

@Test
public void server() throws IOException {
    //1. 获取服务端通道
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

    //2. 切换非阻塞模式
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    //3. 创建 buffer
    ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    writeBuffer.put("收到了。。。。".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    //4. 绑定端口号
    serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(20000));

    //5. 获取 selector 选择器
    Selector selector = Selector.open();

    //6. 通道注册到选择器，进行监听
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

    //7. 选择器进行轮训，进行后续操作
    while (selector.select() > 0) {
        Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> selectionKeyIterator = selectionKeys.iterator();
        // 循环
        while (selectionKeyIterator.hasNext()) {
            // 获取就绪状态
            SelectionKey k = selectionKeyIterator.next();

            // 操作判断
            if (k.isAcceptable()) {
                // 获取连接
                SocketChannel accept = serverSocketChannel.accept();

                // 切换非阻塞模式
                accept.configureBlocking(false);

                // 注册
                accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            } else if (k.isReadable()) {
                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) k.channel();
                readBuffer.clear();
                socketChannel.read(readBuffer);

                readBuffer.flip();
                System.out.println("received:" + new String(readBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
                k.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (k.isWritable()) {
                writeBuffer.rewind();

                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) k.channel();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                k.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            }
        }
    }
}

2、客户端代码

@Test
public void client() throws IOException {

    //1. 获取通道，绑定主机和端口号
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(20000));

    //2. 切换到非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);

    //3. 创建 buffer
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    //4. 写入 buffer 数据
    buffer.put(new Date().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    //5. 模式切换
    buffer.flip();

    //6. 写入通道
    socketChannel.write(buffer);

    //7. 关闭
    buffer.clear();
    socketChannel.close();
}

3、NIO 编程步骤总结

• 1、创建一个 ServerSocketChannel 通道
• 2、设置为非阻塞模式
• 3、创建一个 Selector 选择器
• 4、Channel 注册到选择器中，监听连接事件
• 5、调用 Selector 中的 select 方法（循环调用），监听通道是否是就绪状态
• 6、调用 SelectKeys() 方法就能获取 就绪 channel 集合
• 7、遍历就绪的 channel 集合，判断就绪事件类型，实现具体的业务操作。
• 8、根据业务流程，判断是否需要再次注册事件监听事件，重复执行。

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