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Java NIO学习系列三:Selector

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  前面的两篇文章中总结了Java NIO中的两大基础组件Buffer和Channel的相关知识点,在NIO中都是通过Channel和Buffer的协作来读写数据的,在这个基础上通过selector来协调多个channel以同时读写数据,本文我们就来学习一下selector。  ...

  前面的两篇文章中总结了Java NIO中的两大基础组件Buffer和Channel的相关知识点,在NIO中都是通过Channel和Buffer的协作来读写数据的,在这个基础上通过selector来协调多个channel以同时读写数据,本文我们就来学习一下selector。

  Java NIO中引入了”selector”的概念,一个selector其实是一个Java对象,能够通过诸如连接打开、数据就绪等事件监控多个channel。如此在单个线程中就可以通过一个selector同时处理多个channel,同样也可以同时处理多个网络连接。

  本文会围绕如下几个方面展开:

  

  

  

    

  

  

 

1. 为什么要有selector

  利用单个线程处理多个channel的好处是可以减少线程的数量,节省开销。实际上,可以只用一个线程处理所有的channels。因为线程间的切换是很耗费操作系统资源的一项操作,并且每个线程都要占用一定操作系统资源(内存)。因此,线程数量当然是越少越好,而通过引入selector的概念可以显著减少线程的数量,同时又不会减少系统处理的连接数,可以简单理解为吞吐量。

  如下示例解释了一个Selector处理3个Channel:

2. 创建selector及注册channel

  通过调用Selector的静态方法open()来创建一个selector对象:

Selector selector = Selector.open();

  要让Selector处理Channel就需要先将Channel注册到Selector中,可以通过调用SelectableChannel.register()方法完成:

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

  Channel必须处于非阻塞模式下才能被Selector所使用,因此FileChannel不能为Selector所用,因为它不能切换到非阻塞模式。Socket channels则支持这种工作模式,通过channel的configureBlocking()方法设置其工作模式是阻塞还是非阻塞式。

  register()的第二个参数是一个set集合(interest set),用来指代那些Selector有兴趣监听的事件。一共有四种事件类型:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

  一个channel触发了某一事件其实是代表着它的某些状态已经就绪,四种事件类型分别对应如下四种情况:

  • 一个channel成功和服务器连接上就是”connect ready”,由SelectionKey.OP_CONNECT指代;
  • 一个server socket channel接受了一个连接就称为”accept ready”,由SelectionKey.OP_ACCEPT指代;
  • 一个channel中数据准备好了被读就是”read ready”,由SelectionKey.OP_READ指代;
  • 一个channel可供写入数据就是”write ready”,由SelectionKey.OP_WRITE指代;

   通过这种传参的方式,我们可以指定selector监听channel哪些事件,如果需要同时表示多种事件,则可以如下方式来表示:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE; 

 

3. SelectionKey

  如上一部分所示,当往Selector中注册一个Channel时,register()方法会返回一个SelectionKey对象,其包含了如下属性:

  • The interest set
  • The ready set
  • The Channel
  • The Selector
  • An attached object (optional)

3.1 Interest Set

  可以通过如下方法读写Interest Set:

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

  可以看到,采用的是与的方式来判断一个指定的event是否在interestSet中

3.2 Ready Set

  这个指代channel就绪的操作的集合。在selection之后就能够获得一个ready set(这个selection稍后会介绍到),可以通过如下方式获取:

int readySet = selectionKey.readyOps();

  可以通过如下方式判断是否就绪:

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

3.3 Channel + Selector

  通过如下方式来获取channel和selector:

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

3.4 Attaching Objects

  可以给SelectionKey附带对象,这是一个手动标记一个channel的方式,或者是给channel附带更多信息的方式。你可以附带和channel连接的Buffer或者别的对象,使用方式如下:

// 可以这样搞
selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

// 也可以这样搞
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

 

4. 从Selector中选择Channels

  当你往Selector中注册了多个channel时,你可以调用select()方法用以获取感兴趣且就绪的channel,该方法有如下三种重载格式:

int select()
int select(long timeout)
int selectNow()
  • select()会一直阻塞,直到有一个channel就绪;
  • select(long timeout)只会阻塞一段指定的时间(单位为ms),直到有channel就绪;
  • selectNow()不会阻塞,不管是否有channel就绪都会立即返回;

  返回的int值指代有多少channel就绪(是从上一次调用select()之后开始算起)。比如调用select(),返回1,再次调用select(),这时又有一个channel就绪,此时任然是返回1。

4.1 selectedKeys()

  当调用了一次select()方法并且返回一个int值,这时你可以通过”selected key set”来获取这些就绪的channels:

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); 

  通过调用selectedKeys()方法,返回的是一个Set,你可以遍历以获取就绪的channel:

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> 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();
}

   通过判断其对应的事件类型来做对应的操作。

 

5. Selector的一些其他操作

5.1 wakeUp()

  线程调用Selector的select()方法之后会阻塞,在这种情况下可以通过另一个线程调用同一个Selector的wakeup()方法来将其唤醒。如果一个线程调用了Selector的wakeup方法但是当前并没有线程阻塞,则下一个调用Selector的select()方法的线程则不会阻塞(还记得不,前面讲到select()方法会一直阻塞)。

5.2 close()

  当使用完了Selector,需要调用其close()方法来释放资源,该方法会关闭Selector并使所有相关的SelectionKey失效,但是和Selector相关的channel并不会被关闭。

5.3 一个例子

  开启一个Selector,往其中注册一个channel,并且一直监控:

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
  int readyChannels = selector.selectNow();
  if(readyChannels == 0) continue;
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator<SelectionKey> 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();
  }
}

 

6. 总结

  本文简单总结了Java NIO中的Selector,有了Selector,我们可以实现多路复用,通过少量的线程来监控大量的连接,实现更高性能的服务器,很多现代服务器中都采用了这一特性,比如Tomcat、netty。

  我们可以往Selector中注册一些Channel,并且指定我们需要监听的事件类型,然后监控这些channel,一旦获取到就绪的事件,则可以执行下一部的操作,这就是一个Selector处理channel的基本流程。

 

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