Java NIO Selector 介紹

1. 前言

前面小節介紹 Java TCP Socket 編程時，我們遇到了“創建的 TCP server 不能同時接收多個客戶端請求”的問題。我們的解決方案是采用多線程模型，即每線程模型或者是線程池模型。然而多線程模型會創建大量的線程，消耗大量系統資源。后來進入了 Java NIO 編程的學習，我們說編寫高性能服務器必須采用非阻塞式 Socket 編程。然而，通過 Java NIO 的編程示例可以發現：相比阻塞式 Socket 編程，非阻塞式 Socket 編程的難度大了一個數量級。我們需要應用好 I/O 多路事件處理機制，需要處理好數據收發的各種情況，而 I/O 事件多路復用機制是整個非阻塞 Socket 編程的核心。

其實，I/O 多路復用機制（I/O Multiplex)最早是由操作系統提供的，有一套專用的系統 API。目前主流操作系統提供的 I/O 多路復用 API 如下：

• select，是通用機制，Windows、Unix-like 系統都支持。
• poll, 是 UNIX-like 系統支持。
• devpoll，是 SUN Solaris 系統支持。當然，SUN 公司已經不存在了。
• epoll, 是 Linux 系統支持的主流機制。
• Kqueue，是 freebsd 內核支持的機制，Mac OS、IOS 系統也支持。
• IOCP，是 Windows 系統支持的機制。

對于 Java 來說，也有自己的 I/O 多路復用機制，那就是 Java NIO Selector。

2. Java NIO Selector 工作原理

Java NIO 四個核心的組件分別是 Selector、SocketChannel、ServerSocketChannel、SelectionKey。Selector 是 I/O 事件反應器，是動力源。SocketChannel、ServerSocketChannel、SelectionKey 都是功能組件，它們之間互相配合，如下：

• 首先創建一個 Selector 對象，然后調用它的 select 方法，進入事件等待狀態。
• 對于服務器來說，需要創建 ServerSocketChannel 對象，然后調用它的 register 方法，將 SelectionKey.OP_ACCEPT 事件注冊到 Selector，準備監聽新的客戶端連接。
• 如果 Selector 監聽到新的客戶端連接請求，SelectionKey.OP_ACCEPT 事件就會產生。調用 ServerSocketChannel 的 accept 方法，返回一個 SocketChannel 對象，需要將 SocketChannel 的 SelectionKey.OP_READ 事件注冊到 Selector。

• 在上面兩步中， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 都提供了 register 方法，返回值是 SelectionKey。SelectionKey 中綁定了上下文信息。

• 如果 Selector 監聽到 I/O 事件，它的 select 方法就會返回?？梢哉{用 Selector 的 selectedKeys 方法，返回一個 SelectionKey 數組，包含了所有產生了 I/O 事件的 SocketChannel。遍歷這個數組，逐個處理相應的 I/O 事件。

3. Java Selector API 介紹

3.1 創建實例

Selector 只聲明了一個 protected 構造方法，構造 Selector 實例只能通過它的工廠方法 open，聲明如下：

public static Selector open() throws IOException

3.2 注冊事件

Selector 接口并沒有聲明 register 方法，而是通過它的抽象實現類提供了一個 abstract protected 方法，也沒有對外暴露。聲明如下：

protected abstract SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,int ops, Object att);

Selector 的 register 機制最終委派給了 AbstractSelectableChannel 類。為此，我們要想將 Channel 注冊到 Selector，需要調用 AbstractSelectableChannel 的 register 方法。聲明如下：

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att) throws ClosedChannelException

參數說明：

• sel 是預先創建的 Selector 對象。
• ops 表示需要注冊的具體事件。支持的事件類型如下：

  - SelectionKey.OP_ACCEPT   表示監聽客戶端的連接，用于服務器
  - SelectionKey.OP_CONNECT  表示非阻塞式客戶端連接過程，用于客戶端
  - SelectionKey.OP_READ     表示監聽讀事件
  - SelectionKey.OP_WRITE    表示監聽寫事件
  

• att 用于保存上下文對象。

3.3 監聽事件

Selector 提供了 select 方法用于監聽 I/O 事件，聲明如下：

public abstract int select() throws IOException
public abstract int select(long timeout) throws IOException

當沒有 I/O 事件產生時，調用 select 方法的線程會被阻塞。如果你調用無參 select 方法，線程進入等待狀態，直到有 I/O 事件發生才返回。如果你調用包含了 timeout 參數的 select 方法，線程會在 timeout 超時，或者是有 I/O 事件發生返回。select 的返回值表示產生了 I/O 事件的 SelectionKey 的個數。

3.4 遍歷事件

當有 I/O 事件發生，Selector 的 select 方法會返回?？梢酝ㄟ^ Selector 的 selectedKeys 方法，獲取所有產生了 I/O 事件的 SelectionKey。聲明如下：

 public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys()

方法的返回值是一個 SelectionKey 類型的集合，我們需要遍歷此集合，逐個處理。遍歷的方法如下：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一個新連接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一個新連接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有準備好的數據，可以讀取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空閑的 Buffer，可以寫入數據
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

3.5 SelectionKey 介紹

SelectionKey 是由 AbstractSelectableChannel 的 register 方法返回的，主要包含一個事件類型和上下文對象。SelectionKey 提供了一組方法，用以識別 I/O 事件類型。聲明如下：

public final boolean isAcceptable()
public final boolean isConnectable()
public final boolean isReadable()
public final boolean isWritable()

可以通過 SelectionKey 的 channel 方法，獲取關聯的 Channel，聲明如下：

public abstract SelectableChannel channel()

可以通過 SelectionKey 的 attachment 方法，獲取關聯的上下文對象。

public final Object attachment()

SelectionKey 的各個方法相對簡單，容易理解，我們在前面小節多次提到，不再贅述。

4. 總結

本小結主要是介紹 Java NIO Selector 機制的工作原理。關于 Selector 機制，不僅 Java 支持，各大操作系統都有支持，是編寫高性能服務器的利器。一般在依賴倒轉模型中，充當動力源、反應器的角色。