Java NIO Selector 详解

Selector 允许一个单一的线程来操作多个 Channel，如果我们的应用程序中使用了多个 Channel，那么使用 Selector 很方便的实现这样的目的，但是因为在一个线程中使用了多个 Channel，因此也会造成了每个 Channel 传输效率的降低。

使用 Selector 的图解如下:

为了使用 Selector，我们首先需要将 Channel 注册到 Selector 中，随后调用 Selector 的 select()方法，这个方法会阻塞，直到注册在 Selector 中的 Channel 发送可读写事件。当这个方法返回后，当前的这个线程就可以处理 Channel 的事件了。

创建选择器

通过 Selector.open()方法, 我们可以创建一个选择器:

Selector selector = Selector.open();

将 Channel 注册到选择器中

为了使用选择器管理 Channel，我们需要将 Channel 注册到选择器中:

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

注意，如果一个 Channel 要注册到 Selector 中，那么这个 Channel 必须是非阻塞的，即channel.configureBlocking(false);
因为 Channel 必须要是非阻塞的，因此 FileChannel 是不能够使用选择器的，因为 FileChannel 都是阻塞的.

注意到，在使用 Channel.register()方法时，第二个参数指定了我们对 Channel 的什么类型的事件感兴趣，这些事件有:

Connect，即连接事件(TCP 连接)，对应于SelectionKey.OP_CONNECT。
Accept，即确认事件，对应于SelectionKey.OP_ACCEPT。
Read，即读事件，对应于SelectionKey.OP_READ, 表示 buffer 可读。
Write，即写事件，对应于SelectionKey.OP_WRITE, 表示 buffer 可写。

一个 Channel发出一个事件也可以称为对于某个事件, Channel 准备好了。因此一个 Channel 成功连接到了另一个服务器也可以被称为 connect ready。

我们可以使用或运算|来组合多个事件, 例如:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

注意：一个 Channel 仅仅可以被注册到一个 Selector 一次，如果将 Channel 注册到 Selector 多次，那么其实就是相当于更新 SelectionKey 的 interest set. 例如:

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

上面的 channel 注册到同一个 Selector 两次了，那么第二次的注册其实就是相当于更新这个 Channel 的 interest set 为 SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE。

关于 SelectionKey

如上所示, 当我们使用 register 注册一个 Channel 时, 会返回一个 SelectionKey 对象, 这个对象包含了如下内容:

interest set, 即我们感兴趣的事件集, 即在调用 register 注册 channel 时所设置的 interest set.ready set.channel.selector.attached object, 可选的附加对象

interest set

我们可以通过如下方式获取 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;

ready set

代表了 Channel 所准备好了的操作.

我们可以像判断 interest set 一样操作 Ready set, 但是我们还可以使用如下方法进行判断:

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

Channel 和 Selector

我们可以通过 SelectionKey 获取相对应的 Channel 和 Selector:

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

Attaching Object

我们可以在selectionKey中附加一个对象:

selectionKey.attach(theObject);Object attachedObj = selectionKey.attachment();

或者在注册时直接附加:

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

通过 Selector 选择 Channel

我们可以通过 Selector.select()方法获取对某件事件准备好了的 Channel, 即如果我们在注册 Channel 时, 对其的可写事件感兴趣, 那么当 select()返回时, 我们就可以获取 Channel 了.

注意：select()方法返回的值表示有多少个 Channel 可操作.

获取可操作的 Channel

如果 select()方法返回值表示有多个 Channel 准备好了, 那么我们可以通过 Selected key set 访问这个 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();}

注意，在每次迭代时, 我们都调用 "keyIterator.remove()" 将这个 key 从迭代器中删除, 因为 select() 方法仅仅是简单地将就绪的 IO 操作放到 selectedKeys 集合中, 因此如果我们从 selectedKeys 获取到一个 key, 但是没有将它删除, 那么下一次 select 时, 这个 key 所对应的 IO 事件还在 selectedKeys 中。

例如此时我们收到 OP_ACCEPT 通知, 然后我们进行相关处理, 但是并没有将这个 Key 从 SelectedKeys 中删除, 那么下一次 select() 返回时我们还可以在 SelectedKeys 中获取到 OP_ACCEPT 的 key。

注意，我们可以动态更改 SekectedKeys 中的 key 的 interest set. 例如在 OP_ACCEPT 中, 我们可以将 interest set 更新为 OP_READ, 这样 Selector 就会将这个 Channel 的读 IO 就绪事件包含进来了。

Selector 的基本使用流程

通过 Selector.open() 打开一个 Selector.
将 Channel 注册到 Selector 中, 并设置需要监听的事件(interest set)
不断重复:
*从 selected key 中获取对应的 Channel 和附加信息(如果有的话)

*判断是哪些 IO 事件已经就绪了, 然后处理它们. 如果是 OP_ACCEPT 事件, 则调用 "SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()" 获取 SocketChannel, 并将它设置为非阻塞的, 然后将这个 Channel 注册到 Selector 中.

*根据需要更改 selected key 的监听事件.

*将已经处理过的 key 从 selected keys 集合中删除.

调用 select() 方法

调用 selector.selectedKeys() 获取 selected keys

迭代每个 selected key:

关闭 Selector

当调用了 Selector.close()方法时, 我们其实是关闭了 Selector 本身并且将所有的 SelectionKey 失效, 但是并不会关闭 Channel.

完整的 Selector 例子

public class NioEchoServer {    private static final int BUF_SIZE = 256;    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String args[]) throws Exception {        // 打开服务端 Socket        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 打开 Selector        Selector selector = Selector.open();
        // 服务端 Socket 监听8080端口, 并配置为非阻塞模式        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将 channel 注册到 selector 中.        // 通常我们都是先注册一个 OP_ACCEPT 事件, 然后在 OP_ACCEPT 到来时, 再将这个 Channel 的 OP_READ        // 注册到 Selector 中.        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {            // 通过调用 select 方法, 阻塞地等待 channel I/O 可操作            if (selector.select(TIMEOUT) == 0) {                System.out.print(".");                continue;            }
            // 获取 I/O 操作就绪的 SelectionKey, 通过 SelectionKey 可以知道哪些 Channel 的哪类 I/O 操作已经就绪.            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                // 当获取一个 SelectionKey 后, 就要将它删除, 表示我们已经对这个 IO 事件进行了处理.                keyIterator.remove();
                if (key.isAcceptable()) {                    // 当 OP_ACCEPT 事件到来时, 我们就有从 ServerSocketChannel 中获取一个 SocketChannel,                    // 代表客户端的连接                    // 注意, 在 OP_ACCEPT 事件中, 从 key.channel() 返回的 Channel 是 ServerSocketChannel.                    // 而在 OP_WRITE 和 OP_READ 中, 从 key.channel() 返回的是 SocketChannel.                    SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();                    clientChannel.configureBlocking(false);                    //在 OP_ACCEPT 到来时, 再将这个 Channel 的 OP_READ 注册到 Selector 中.                    // 注意, 这里我们如果没有设置 OP_READ 的话, 即 interest set 仍然是 OP_CONNECT 的话, 那么 select 方法会一直直接返回.                    clientChannel.register(key.selector(), OP_READ, ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE));                }
                if (key.isReadable()) {                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();                    ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();                    long bytesRead = clientChannel.read(buf);                    if (bytesRead == -1) {                        clientChannel.close();                    } else if (bytesRead > 0) {                        key.interestOps(OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);                        System.out.println("Get data length: " + bytesRead);                    }                }
                if (key.isValid() && key.isWritable()) {                    ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();                    buf.flip();                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    clientChannel.write(buf);
                    if (!buf.hasRemaining()) {                        key.interestOps(OP_READ);                    }                    buf.compact();                }            }        }    }}