六、NIO教程——Selector选择器的讲解与使用

2024-01-02 17:41:40

Java NIOSelector是一个组件，它可以检查一个或多个Java NIO 通道实例，并确定哪些通道准备好进行读取或写入等操作。通过这种方式，单个线程可以管理多个通道，从而管理多个网络连接。

1、为什么使用选择器？

仅使用单个线程来处理多个通道的优点是您需要更少的线程来处理通道。实际上，您可以只使用一个线程来处理您的所有频道。对于操作系统来说，线程之间的切换是昂贵的，并且每个线程也占用操作系统中的一些资源（内存）。因此，使用的线程越少越好。

但请记住，现代操作系统和 CPU 在多任务处理方面变得越来越好，因此多线程的开销会随着时间的推移而变小。事实上，如果一个 CPU 有多个内核，那么不进行多任务处理可能会浪费 CPU 能力。无论如何，该设计讨论属于不同的文本。在这里可以说，您可以使用单个线程处理多个通道，使用Selector.

一个线程使用一个选择器来处理 3 个通道的说明：

2、创建选择器Selector

您可以Selector通过调用该Selector.open()方法来创建一个，如下所示：

Selector selector = Selector.open();

3、使用选择器注册通道

为了去使用一个带有通道的选择器，你必须注册这个Channel在这个Selector上，这下面是使用 SelectableChannel.register()的方法：

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

Channel必须在非阻塞模式下使用Selector。这以为着你不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。不过，套接字可以正常工作。
注意该register()方法的第二个参数。这是一个“interest set"(权益集)，意思是你是在监听这个通道的时候能做那些事情，这儿有四个不同的事件你可以选择：

Connect 连接
Accept 接受
Read 读
Write 写

触发事件的通道也被称为”准备好“该事件。因此，已成功连接到另一台服务器的通道是“连接就绪”。接受传入连接的服务器套接字通道已准备好“接受”。已准备好读取数据的通道已准备好“读取”。准备好向其写入数据的通道已准备好“写入”。

这四个事件由四个SelectionKey常量表示：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE
如果您对多个事件感兴趣，请将常量 OR 放在一起，如下所示：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

4、选择键 SelectionKey

如上节所提到的那样，当你用Selector注册一个Channel时，register()方法返回一个SelectionKey对象。这个SelectionKey对象包含一些权益的属性；

The interest set 权益集
The ready set 准备好的集合
The Channel 通道
The Selector 选择器
An attached object (optional)

下面将描述这些属性。

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：

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean 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：

int 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：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel + Selector
从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector 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：

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

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

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
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，增加了最长会阻塞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：

Set 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：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator 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();
}

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。

5、完整的示例

这里有一个完整的示例，打开一个Selector，注册一个通道到这个Selector上(通道的初始化过程略去),然后持续监控这个Selector的四种事件（接受，连接，读，写）是否就绪。

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;
  Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator 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();
  }
}

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1、为什么使用选择器？

2、创建选择器Selector

3、使用选择器注册通道

4、选择键 SelectionKey

5、完整的示例

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