7. 彤哥說netty系列之Java NIO核心組件之Selector

時間  2020-01-05
標籤 netty 系列 java nio 核心 組件 selector 欄目 Netty 简体版
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<p align="right">——日拱一卒，不期而至！</p>java

nio

你好，我是彤哥，本篇是netty系列的第七篇。編程

簡介

上一章咱們一塊兒學習了Java NIO的核心組件Buffer，它一般跟Channel一塊兒使用，可是它們在網絡IO中又該如何使用呢，今天咱們將一塊兒學習另外一個NIO核心組件——Selector，沒有它能夠說就幹不起來網絡IO。數組

概念

咱們先來看兩段Selector的註釋，見類java.nio.channels.Selector。服務器

註釋I

> A multiplexor of {@link SelectableChannel} objects.網絡

它是SelectableChannel對象的多路複用器，從這裏咱們也能夠知道Java NIO其實是多路複用IO。架構

SelectableChannel有幾個子類，你會很是熟悉：socket

  • DatagramChannel，UDP協議鏈接
  • SocketChannel，TCP協議鏈接
  • ServerSocketChannel，專門處理TCP協議Accept事件

咱們有必要複習一下多路複用IO的流程：ide

multiplexing-io

第一階段經過select去輪詢檢查有沒有鏈接準備好數據，第二階段把數據從內核空間拷貝到用戶空間。學習

在Java中，就是經過Selector這個多路複用器來實現第一階段的。ui

註釋II

> A selector may be created by invoking the {@link #open open} method of this class, which will use the system's default {@link java.nio.channels.spi.SelectorProvider selector provider} to create a new selector. A selector may also be created by invoking the {@link java.nio.channels.spi.SelectorProvider#openSelector openSelector} method of a custom selector provider. A selector remains open until it is closed via its {@link #close close} method.

Selector能夠經過它本身的open()方法建立，它將經過默認的java.nio.channels.spi.SelectorProvider類建立一個新的Selector。也能夠經過實現java.nio.channels.spi.SelectorProvider類的抽象方法openSelector()來自定義實現一個Selector。Selector一旦建立將會一直處於open狀態直到調用了close()方法爲止。

那麼，默認使用的Selector到底是哪一個呢？

經過跟蹤源碼：

&gt; java.nio.channels.Selector#open()
  1&gt; java.nio.channels.spi.SelectorProvider#provider()
    1.1&gt; sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider#create() // 返回WindowsSelectorProvider
  2&gt; sun.nio.ch.WindowsSelectorProvider#openSelector() // 返回WindowsSelectorImpl

能夠看到，在Windows平臺下，默認實現的Provider是WindowsSelectorProvider，它的openSelector()方法返回的是WindowsSelectorImpl，它就是Windows平臺默認的Selector實現。

爲何要提到在Windows平臺呢，難道在Linux下面實現不同？

是滴，由於網絡IO是跟操做系統息息相關的，不一樣的操做系統的實現可能都不同，Linux下面JDK的實現徹底不同，那麼咱們爲何沒有感知到呢？個人代碼在Windows下面寫的，拿到Linux下面不是同樣運行？那是Java虛擬機（或者說Java運行時環境）幫咱們把這個事幹了，它屏蔽了跟操做系統相關的細節，這也是Java代碼能夠「Write Once, Run Anywhere」的精髓所在。

Selector與Channel的關係

上面咱們說了selector是多路複用器，它是在網絡IO的第一階段用來輪詢檢查有沒有鏈接準備好數據的，那麼它和Channel是什麼關係呢？

nio

Selector經過不斷輪詢的方式同時監聽多個Channel的事件，注意，這裏是同時監聽，一旦有Channel準備好了，它就會返回這些準備好了的Channel，交給處理線程去處理。

因此，在NIO編程中，經過Selector咱們就實現了一個線程同時處理多個鏈接請求的目標，也能夠必定程序下降服務器資源的消耗。

基本用法

建立Selector

經過調用Selector.open()方法是咱們經常使用的方式：

Selector selector = Selector.open();

固然，也能夠經過實現java.nio.channels.spi.SelectorProvider.openSelector()抽象方法自定義一個Selector。

將Channel註冊到Selector上

爲了將Channel跟Selector綁定在一塊兒，須要將Channel註冊到Selector上，調用Channel的register()方法便可：

channel.configureBlocking(false);

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

Channel必須是非阻塞模式才能註冊到Selector上，因此，沒法將一個FileChannel註冊到Selector，由於FileChannel沒有所謂的阻塞仍是非阻塞模式，本文來源於工從號彤哥讀源碼。

註冊的時候第二個參數傳入的是監聽的事件，一共有四種事件：

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

當Channel觸發了某個事件，一般也叫做那個事件就緒了。好比，數據準備好能夠讀取了就叫做讀就緒了，一樣地，還有寫就緒、鏈接就緒、接受就緒，固然後面兩個不常聽到。

在Java中，這四種監聽事件是定義在SelectionKey中的：

  • SelectionKey.OP_READ，值爲 1 << 0 = 0000 0001
  • SelectionKey.OP_WRITE，值 爲 1 << 2 = 0000 0100
  • SelectionKey.OP_CONNECT，值爲 1 << 3 = 0000 1000
  • SelectionKey.OP_ACCEPT，值爲 1 << 4 = 0001 0000

因此，也能夠經過位或命令監聽多個感興趣的事件：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey

正如上面所看到的，Channel註冊到Selector後返回的是一個SelectionKey，因此SelectionKey又能夠看做是Channel和Selector之間的一座橋樑，把二者綁定在了一塊兒。

SelectionKey具備如下幾個重要屬性：

  • interest set，感興趣的事件集
  • ready set，就緒的事件集
  • 保存着的Channel
  • 保存着的Selector
  • attached object，附件

interest set

裏面保存了註冊Channel到Selector時傳入的第二個參數，即感興趣的事件集。

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept  = interestSet &amp; SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet &amp; SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet &amp; SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet &amp; SelectionKey.OP_WRITE;

能夠經過位與運算查看是否註冊了相應的事件。

ready set

裏面保存了就緒了的事件集。

int readySet = selectionKey.readyOps();
selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

能夠經過readyOps()方法獲取全部就緒了的事件，也能夠經過isXxxable()方法檢查某個事件是否就緒。

保存的Channel和Selector

Channel  channel  = selectionKey.channel();

Selector selector = selectionKey.selector();

經過channel()和selector()方法能夠獲取綁定的Channel和Selector。

attachment

能夠調用attach(obj)方法綁定一個對象到SelectionKey上，並在後面須要用到的時候經過attachment()方法取出綁定的對象，也能夠翻譯爲附件，它能夠看做是數據傳遞的一種媒介，跟ThreadLocal有點相似，在前面綁定數據，在後面使用。

selectionKey.attach(theObject);

Object attachedObj = selectionKey.attachment();

固然，也能夠在註冊Channel到Selector的時候就綁定附件：

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

Selector.select()

一旦將一個或多個Channel註冊到Selector上了，咱們就能夠調用它的select()方法了，它會返回註冊時感興趣的事件中就緒的事件，本文來源於工從號彤哥讀源碼。

select()方法有三種變體：

  • select()，無參數，阻塞直到某個Channel有就緒的事件了才返回（固然是咱們註冊的感興趣的事件）
  • select(timeout)，帶超時，阻塞直到某個Channel有就緒的事件了，或者超時了才返回
  • selectNow()，當即返回，不會阻塞，無論有沒有就緒的Channel都當即返回

select()的返回值爲int類型，表示兩次select()之間就緒的Channel，即便上一次調用select()時返回的就緒Channel沒有被處理，下一次調用select()也不會再返回上一次就緒的Channel。好比，第一次調用select()返回了一個就緒的Channel，可是沒有處理它，第二次調用select()時又有一個Channel就緒了，那也只會返回1，而不是2。

Selector.selectedKeys()

一旦調用select()方法返回了有就緒的Channel，咱們就可使用selectedKeys()方法來獲取就緒的Channel了。

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

而後，就能夠遍歷這些SelectionKey來查看感興趣的事件是否就緒了：

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();
}

最後，必定要記得調用keyIterator.remove();移除已經處理的SelectionKey。

Selector.wakeup()

前面咱們說了調用select()方法時，調用者線程會進入阻塞狀態，直到有就緒的Channel纔會返回。其實也不必定，wakeup()就是用來破壞規則的，能夠在另一個線程調用wakeup()方法強行喚醒這個阻塞的線程，這樣select()方法也會當即返回。

若是調用wakeup()時並無線程阻塞在select()上，那麼，下一次調用select()將當即返回，不會進入阻塞狀態。這跟LockSupport.unpark()方法是比較相似的。

Selector.close()

調用close()方法將會關閉Selector，同時也會將關聯的SelectionKey失效，但不會關閉Channel。

舉個栗子

nio

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 建立一個Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 建立ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 綁定8080端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 設置爲非阻塞模式，本文來源於工從號彤哥讀源碼
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 將Channel註冊到selector上，並註冊Accept事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 阻塞在select上
            selector.select();

            // 若是使用的是select(timeout)或selectNow()須要判斷返回值是否大於0

            // 有就緒的Channel
            Set<selectionkey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 遍歷selectKeys
            Iterator<selectionkey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                // 若是是accept事件
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    // 強制轉換爲ServerSocketChannel
                    ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                    SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                    System.out.println("accept new conn: " + socketChannel.getRemoteAddress());
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 將SocketChannel註冊到Selector上，並註冊讀事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    // 若是是讀取事件
                    // 強制轉換爲SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    // 建立Buffer用於讀取數據
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    // 將數據讀入到buffer中
                    int length = socketChannel.read(buffer);
                    if (length &gt; 0) {
                        buffer.flip();
                        byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                        // 將數據讀入到byte數組中
                        buffer.get(bytes);

                        // 換行符會跟着消息一塊兒傳過來
                        String content = new String(bytes, "UTF-8").replace("\r\n", "");
                        if (content.equalsIgnoreCase("quit")) {
                            selectionKey.cancel();
                            socketChannel.close();
                        } else {
                            System.out.println("receive msg: " + content);
                        }
                    }
                }
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

總結

今天咱們學習了Java NIO核心組件Selector，到這裏，NIO的三個最重要的核心組件咱們就學習完畢了，說實話，NIO這塊最重要的仍是思惟的問題，時刻記着在NIO中一個線程是能夠處理多個鏈接的。

看着Java原生NIO實現網絡編程彷佛也沒什麼困難的嗎？那麼爲何還要有Netty呢？下一章咱們將正式進入Netty的學習之中，咱們將在其中尋找答案。

最後，也歡迎來個人工從號彤哥讀源碼系統地學習源碼&架構的知識。

nio</selectionkey></selectionkey></selectionkey></selectionkey></selectionkey>

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