Java NIO：选择器 | 油多坏不了菜

最近打算把Java网络编程相关的知识深入一下（IO、NIO、Socket编程、Netty)

Java NIO主要需要理解缓冲区、通道、选择器三个核心概念，作为对Java I/O的补充，以提升大批量数据传输的效率。

学习NIO之前最好能有基础的网络编程知识

传统监控多个Socket的Java解决方案是为每一个Socket创建一个线程并使线程阻塞在read调用处，直到数据可读。这种方式在系统并发不高时可以正常运行，如果是并发很高的系统就需要创建很多的线程（每个连接需要一个线程）。过多的线程会导致频繁的上下文切换、且线程是系统资源，可创建最大线程数是有限制的且远小于可以建立的网络连接数。

NIO的选择器就是为了解决这个问题，选择器提供了同时询问多个通道是否准备好执行I/O的能力，比如SocketChannel对象是否还有更多的字节待读取， ServerSocketChannel是否有已经到达的客户端连接。

通过使用选择器，我们可以在一个线程里监听多个通道的就绪状态！

核心概念

选择器：管理可选择通道集合&更新可选择通道的就绪状态

可选择通道：所有继承了SelectableChannel的通道， Socket都是可选择的，而文件通道不是，只有可选择通道可以注册到选择器上。

选择键：可选择通道注册到选择器后返回选择键，所以选择键其实是通道与选择器注册关系的一个封装

三者之间的关系：可选择通道注册到选择器上，返回选择键

选择器使用

使用选择器的步骤一般是：

构造选择器
可选择通道注册到选择器
选择器选择（选择出就绪通道）
对就绪通道进行读写操作
重复 2 ～ 4
下面从这几步进行讲解

构造选择器

使用静态工厂方法构造（底层使用SelectorProvider创建Selector实例， SelectorProvider支持java spi扩展）

Selector selector = Selector.open();

可选择通道注册到选择器

只有运行在非阻塞模式下的通道可以注册到选择器上

注册的方法定义在SelectableChannel类中，注册时需带上可选择的操作（四种可选择操作，定义在SelectionKey中），也可以带上附件

注册成功返回选择键，具体API如下：

//参数 选择器 + 可选择操作
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
//带附件的版本
public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)

选择器选择

select方法选择出就绪的通道，把该就绪通道关联的SelectionKey放到选择器的selectedKeys集合中（通道就绪指底层Socket已经就绪，执行连接或者读写操作时不会阻塞）

对就绪通道进行读写操作

对就绪通道的读写操作见下面Demo

Demo

写了一个demo把上面几步整合起来，代码主要两部分：可选择通道注册&选择器选择和对就绪通道进行读写操作

可选择通道注册&选择器选择

  //构造选择器
  Selector selector = Selector.open();
  //初始化ServerSocketChannel绑定本地端口并设置为非阻塞模式
  ServerSocketChannel ch = ServerSocketChannel.open();
  ch.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7001));
  ch.configureBlocking(false);
  //通道注册到选择器，并且关心ACCEPT操作（因为是Server)
  ch.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  //一直循环， 进行通道就绪状态的选择
  while (true) {
    int n = selector.select();
    if (n == 0) {
      continue;
    }
    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
    //遍历所有就绪的通道
    while (it.hasNext()) {
      SelectionKey key = it.next();
      //如果就绪操作是ACCEPT, 接受客户端连接并注册到选择器。
      if (key.isAcceptable()) {
        try {
          SocketChannel cch = ch.accept();
          cch.configureBlocking(false);
          //客户端通道注册到选择选择器，并关心READ操作
          cch.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      } else {
        //如果是其他就绪操作， 提交到线程池处理
        pool.submit(() -> handle(key));
      }
      //移除该选择键
      it.remove();
    }
  }

对就绪通道进行读写操作

public static void handle(SelectionKey key) {
    //如果通道是读就绪的
    if (key.isReadable()) {
        key.interestOps(key.interestOps() & (~SelectionKey.OP_READ));
        SocketChannel ch = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer bf = (ByteBuffer) key.attachment();
        try {
            int n = ch.read(bf);
          	//读取数据（ascii)，并简单输出
            if (n > 0) {
                bf.flip();
                StringBuilder builder = new StringBuilder();
                while (bf.hasRemaining()) {
                    builder.append((char) bf.get());
                }
                System.out.print(builder.toString());
                bf.clear();
                key.interestOps(key.interestOps() | SelectionKey.OP_READ);
                key.selector().wakeup();
            } else if (n < -1) { //关闭连接
                ch.close();
            }
        } catch (IOException e) {
            //
        }
    }
}

选择器深入

可选择的操作

一共有四种可选择的操作（OP_READ、OP_WRITE、OP_ACCEPT、OP_ACCEPT），下为Socket通道对这四种可选择操作的支持情况

概括来说：客户端Socket通道不关心ACCEPT操作，服务端Socket通道不关心CONNECT操作，数据报Socket通道只关心READ和WRITE操作

选择键(SelectionKey)

可选择的通道注册到选择器，然后返回一个选择键对象，即选择键代表通道和选择器的一个关联关系。主要需要了解他的几个属性

interestOps：感兴趣的可选择操作集合，可选择通道注册到选取器的时候初始化，可以修改
readyOps: 就绪的可选择操作集合，选择器选择的时候会对该集合更新，客户端不能修改。
attachment：选择键可以关联一个对象，叫做附件（比如关联一个缓冲区对象）

选择器选择过程

在了解具体选择过程之前，我们先了解选择器中三个键集合的含义

已注册的键的集合，通过keys方法返回。通道注册的时候会把对应的选择键加入该集合
已选择的键的集合，选择器选择的时候会把就绪的通道对应的选择键放到该集合中
已取消的键的集合，选择键的cancel方法被调用后该选择键会加入该集合

具体选择过程：

如果已取消的键的集合非空，将每个已取消的键从其他两个集合中移除，并将相关的通道注销，最后将已取消键的集合清空。
询问已注册键的集合中通道的就绪状态（系统调用），更新已选择键的集合以及键的readyOps集合。（如果一个键在该次选择操作之前就已在已选择键的集合中，则更新该键的readyOps集合；否则把键加入到已选择的集合中，并重置该键的readyOps集合）

最佳实践

在这种方式下，进行相关操作前需要先将操作位从interestOps集合中移除，避免下次selector选择时再将选择键放到已选择集合中（造成一次就绪多次处理的问题），相关操作结束后再把操作加入到interestOps集合中并且唤醒selector进行下一次选择

下面是读操作简单伪码

//读就绪
if (key.isReadable()) {
  	//把READ从interestOps中移除
         key.interestOps(key.interestOps() & (~SelectionKey.OP_READ));
	//......数据读取处理
  	//把READ加入到interestOps中
 	key.interestOps(key.interestOps() | SelectionKey.OP_READ);
  	//唤醒selector，重新选择（因为键的interestOps变化了）
 	key.selector().wakeup();
}

总结

可选择通道注册到选择器上，返回选择键
选择器核心思想：使用一个（或者少数个）选择器管理所有的可选择通道，每个选择器使用一个线程监控就绪状态，使用一个工作线程池处理就绪通道的数据读写