NIO Selector源码分析

为什么使用Selector?

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。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图：

Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：

1Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

1channel.configureBlocking(false);

2SelectionKey key = channel.register(selector,

3    Selectionkey.OP_READ);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

1int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

在下面还会继续提到interest集合。

SelectionKey

在上一小节中，当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

• interest集合
• ready集合
• Channel
• Selector
• 附加的对象（可选）

下面我会描述这些属性。

interest集合

就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合，像这样：

1int interestSet = selectionKey.interestOps();

2 

3boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；

4boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;

5boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;

6boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

可以看到，用“位与”操作interest 集合和给定的SelectionKey常量，可以确定某个确定的事件是否在interest 集合中。

ready集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

1int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

1selectionKey.isAcceptable();

2selectionKey.isConnectable();

3selectionKey.isReadable();

4selectionKey.isWritable();

Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

1Channel  channel  = selectionKey.channel();

2Selector selector = selectionKey.selector();

附加的对象

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加 与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

1selectionKey.attach(theObject);

2Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

1SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

• int select()
• int select(long timeout)
• int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

1Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下：

01Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

02Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();

03while(keyIterator.hasNext()) {

04    SelectionKey key = keyIterator.next();

05    if(key.isAcceptable()) {

06        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

07    } else if (key.isConnectable()) {

08        // a connection was established with a remote server.

09    } else if (key.isReadable()) {

10        // a channel is ready for reading

11    } else if (key.isWritable()) {

12        // a channel is ready for writing

13    }

14    keyIterator.remove();

15}

这个循环遍历已选择键集中的每个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”。

close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

我们看一下代码：

[java] view plain copy

1. package bhz.nio;  
2.   
3. import java.io.IOException;  
4. import java.net.InetSocketAddress;  
5. import java.nio.ByteBuffer;  
6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
7. import java.nio.channels.Selector;  
8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
9. import java.nio.channels.SocketChannel;  
10. import java.util.Iterator;  
11.   
12. public class Server implements Runnable{  
13.     //1 多路复用器（管理所有的通道）  
14.     private Selector seletor;  
15.     //2 建立缓冲区  
16.     private ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024);  
17.     //3   
18.     private ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.allocate(1024);  
19.       
20.     public Server(int port){  
21.         try {  
22.             //1 打开路复用器  
23.             this.seletor = Selector.open();  
24.             //2 打开服务器通道  
25.             ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();  
26.             //3 设置服务器通道为非阻塞模式  
27.             ssc.configureBlocking(false);  
28.             //4 绑定地址  
29.             ssc.bind(new InetSocketAddress(port));  
30.             //5 把服务器通道注册到多路复用器上，并且监听阻塞事件  
31.             ssc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
32.               
33.             System.out.println("Server start, port :" + port);  
34.               
35.         } catch (IOException e) {  
36.             e.printStackTrace();  
37.         }  
38.     }  
39.   
40.     @Override  
41.     public void run() {  
42.         while(true){  
43.             try {  
44.                 //1 必须要让多路复用器开始监听  
45.                 this.seletor.select();  
46.                 //2 返回多路复用器已经选择的结果集  
47.                 Iterator<SelectionKey> keys = this.seletor.selectedKeys().iterator();  
48.                 //3 进行遍历  
49.                 while(keys.hasNext()){  
50.                     //4 获取一个选择的元素  
51.                     SelectionKey key = keys.next();  
52.                     //5 直接从容器中移除就可以了  
53.                     keys.remove();  
54.                     //6 如果是有效的  
55.                     if(key.isValid()){  
56.                         //7 如果为阻塞状态  
57.                         if(key.isAcceptable()){  
58.                             this.accept(key);  
59.                         }  
60.                         //8 如果为可读状态  
61.                         if(key.isReadable()){  
62.                             this.read(key);  
63.                         }  
64.                         //9 写数据  
65.                         if(key.isWritable()){  
66.                             //this.write(key); //ssc  
67.                         }  
68.                     }  
69.                       
70.                 }  
71.             } catch (IOException e) {  
72.                 e.printStackTrace();  
73.             }  
74.         }  
75.     }  
76.       
77.     private void write(SelectionKey key){  
78.         //ServerSocketChannel ssc =  (ServerSocketChannel) key.channel();  
79.         //ssc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_WRITE);  
80.     }  
81.   
82.     private void read(SelectionKey key) {  
83.         try {  
84.             //1 清空缓冲区旧的数据  
85.             this.readBuf.clear();  
86.             //2 获取之前注册的socket通道对象  
87.             SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();  
88.             //3 读取数据  
89.             int count = sc.read(this.readBuf);  
90.             //4 如果没有数据  
91.             if(count == -1){  
92.                 key.channel().close();  
93.                 key.cancel();  
94.                 return;  
95.             }  
96.             //5 有数据则进行读取 读取之前需要进行复位方法(把position 和limit进行复位)  
97.             this.readBuf.flip();  
98.             //6 根据缓冲区的数据长度创建相应大小的byte数组，接收缓冲区的数据  
99.             byte[] bytes = new byte[this.readBuf.remaining()];  
100.             //7 接收缓冲区数据  
101.             this.readBuf.get(bytes);  
102.             //8 打印结果  
103.             String body = new String(bytes).trim();  
104.             System.out.println("Server : " + body);  
105.               
106.             // 9..可以写回给客户端数据   
107.               
108.         } catch (IOException e) {  
109.             e.printStackTrace();  
110.         }  
111.           
112.     }  
113.   
114.     private void accept(SelectionKey key) {  
115.         try {  
116.             //1 获取服务通道此时获取的 服务器端的 通道（因为ServerSocketChannel 服务端通道也要注册到Select上）
117.             ServerSocketChannel ssc =  (ServerSocketChannel) key.channel();  
118.             //2 执行阻塞方法等待 客户端通道连接
119.             SocketChannel sc = ssc.accept();  
120.             //3 设置阻塞模式  
121.             sc.configureBlocking(false);  
122.             //4 获取到客户端通道并注册到多路复用器上，并设置读取标识  
123.             sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_READ);  
124.         } catch (IOException e) {  
125.             e.printStackTrace();  
126.         }  
127.     }  
128.       
129.     public static void main(String[] args) {  
130.           
131.         new Thread(new Server(8765)).start();;  
132.     }  
133.       
134.       
135. }  

[java] view plain copy

1. public class Client {  
2.   
3.     //需要一个Selector   
4.     public static void main(String[] args) {  
5.           
6.         //创建连接的地址  
7.         InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8765);  
8.           
9.         //声明连接通道  
10.         SocketChannel sc = null;  
11.           
12.         //建立缓冲区  
13.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);  
14.           
15.         try {  
16.             //打开通道  
17.             sc = SocketChannel.open();  
18.             //进行连接  
19.             sc.connect(address);  
20.               
21.             while(true){  
22.                 //定义一个字节数组，然后使用系统录入功能：  
23.                 byte[] bytes = new byte[1024];  
24.                 System.in.read(bytes);  
25.                   
26.                 //把数据放到缓冲区中  
27.                 buf.put(bytes);  
28.                 //对缓冲区进行复位  
29.                 buf.flip();  
30.                 //写出数据  
31.                 sc.write(buf);  
32.                 //清空缓冲区数据  
33.                 buf.clear();  
34.             }  
35.         } catch (IOException e) {  
36.             e.printStackTrace();  
37.         } finally {  
38.             if(sc != null){  
39.                 try {  
40.                     sc.close();  
41.                 } catch (IOException e) {  
42.                     e.printStackTrace();  
43.                 }  
44.             }  
45.         }  
46.           
47.     }  
48.       
49. }