Java NIO Selector 介绍

1. 前言

前面小节介绍 Java TCP Socket 编程时，我们遇到了“创建的 TCP server 不能同时接收多个客户端请求”的问题。我们的解决方案是采用多线程模型，即每线程模型或者是线程池模型。然而多线程模型会创建大量的线程，消耗大量系统资源。后来进入了 Java NIO 编程的学习，我们说编写高性能服务器必须采用非阻塞式 Socket 编程。然而，通过 Java NIO 的编程示例可以发现：相比阻塞式 Socket 编程，非阻塞式 Socket 编程的难度大了一个数量级。我们需要应用好 I/O 多路事件处理机制，需要处理好数据收发的各种情况，而 I/O 事件多路复用机制是整个非阻塞 Socket 编程的核心。

其实，I/O 多路复用机制（I/O Multiplex)最早是由操作系统提供的，有一套专用的系统 API。目前主流操作系统提供的 I/O 多路复用 API 如下：

• select，是通用机制，Windows、Unix-like 系统都支持。
• poll, 是 UNIX-like 系统支持。
• devpoll，是 SUN Solaris 系统支持。当然，SUN 公司已经不存在了。
• epoll, 是 Linux 系统支持的主流机制。
• Kqueue，是 freebsd 内核支持的机制，Mac OS、IOS 系统也支持。
• IOCP，是 Windows 系统支持的机制。

对于 Java 来说，也有自己的 I/O 多路复用机制，那就是 Java NIO Selector。

2. Java NIO Selector 工作原理

Java NIO 四个核心的组件分别是 Selector、SocketChannel、ServerSocketChannel、SelectionKey。Selector 是 I/O 事件反应器，是动力源。SocketChannel、ServerSocketChannel、SelectionKey 都是功能组件，它们之间互相配合，如下：

• 首先创建一个 Selector 对象，然后调用它的 select 方法，进入事件等待状态。
• 对于服务器来说，需要创建 ServerSocketChannel 对象，然后调用它的 register 方法，将 SelectionKey.OP_ACCEPT 事件注册到 Selector，准备监听新的客户端连接。
• 如果 Selector 监听到新的客户端连接请求，SelectionKey.OP_ACCEPT 事件就会产生。调用 ServerSocketChannel 的 accept 方法，返回一个 SocketChannel 对象，需要将 SocketChannel 的 SelectionKey.OP_READ 事件注册到 Selector。

• 在上面两步中， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 都提供了 register 方法，返回值是 SelectionKey。SelectionKey 中绑定了上下文信息。

• 如果 Selector 监听到 I/O 事件，它的 select 方法就会返回。可以调用 Selector 的 selectedKeys 方法，返回一个 SelectionKey 数组，包含了所有产生了 I/O 事件的 SocketChannel。遍历这个数组，逐个处理相应的 I/O 事件。

3. Java Selector API 介绍

3.1 创建实例

Selector 只声明了一个 protected 构造方法，构造 Selector 实例只能通过它的工厂方法 open，声明如下：

public static Selector open() throws IOException

3.2 注册事件

Selector 接口并没有声明 register 方法，而是通过它的抽象实现类提供了一个 abstract protected 方法，也没有对外暴露。声明如下：

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

Selector 的 register 机制最终委派给了 AbstractSelectableChannel 类。为此，我们要想将 Channel 注册到 Selector，需要调用 AbstractSelectableChannel 的 register 方法。声明如下：

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

参数说明：

• sel 是预先创建的 Selector 对象。
• ops 表示需要注册的具体事件。支持的事件类型如下：

  - SelectionKey.OP_ACCEPT   表示监听客户端的连接，用于服务器
  - SelectionKey.OP_CONNECT  表示非阻塞式客户端连接过程，用于客户端
  - SelectionKey.OP_READ     表示监听读事件
  - SelectionKey.OP_WRITE    表示监听写事件
  

• att 用于保存上下文对象。

3.3 监听事件

Selector 提供了 select 方法用于监听 I/O 事件，声明如下：

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

当没有 I/O 事件产生时，调用 select 方法的线程会被阻塞。如果你调用无参 select 方法，线程进入等待状态，直到有 I/O 事件发生才返回。如果你调用包含了 timeout 参数的 select 方法，线程会在 timeout 超时，或者是有 I/O 事件发生返回。select 的返回值表示产生了 I/O 事件的 SelectionKey 的个数。

3.4 遍历事件

当有 I/O 事件发生，Selector 的 select 方法会返回。可以通过 Selector 的 selectedKeys 方法，获取所有产生了 I/O 事件的 SelectionKey。声明如下：

 public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys()

方法的返回值是一个 SelectionKey 类型的集合，我们需要遍历此集合，逐个处理。遍历的方法如下：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一个新连接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一个新连接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有准备好的数据，可以读取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

3.5 SelectionKey 介绍

SelectionKey 是由 AbstractSelectableChannel 的 register 方法返回的，主要包含一个事件类型和上下文对象。SelectionKey 提供了一组方法，用以识别 I/O 事件类型。声明如下：

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

可以通过 SelectionKey 的 channel 方法，获取关联的 Channel，声明如下：

public abstract SelectableChannel channel()

可以通过 SelectionKey 的 attachment 方法，获取关联的上下文对象。

public final Object attachment()

SelectionKey 的各个方法相对简单，容易理解，我们在前面小节多次提到，不再赘述。

4. 总结

本小结主要是介绍 Java NIO Selector 机制的工作原理。关于 Selector 机制，不仅 Java 支持，各大操作系统都有支持，是编写高性能服务器的利器。一般在依赖倒转模型中，充当动力源、反应器的角色。