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7. 彤哥说netty系列之Java NIO核心组件之Selector

 彤哥读源码
发布于 2019/12/05 23:49
字数 2588
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<p align="right">——日拱一卒,不期而至!</p>

nio

你好,我是彤哥,本篇是netty系列的第七篇。

简介

上一章我们一起学习了Java NIO的核心组件Buffer,它通常跟Channel一起使用,但是它们在网络IO中又该如何使用呢,今天我们将一起学习另一个NIO核心组件——Selector,没有它可以说就干不起来网络IO。

概念

我们先来看两段Selector的注释,见类java.nio.channels.Selector

注释I

> A multiplexor of {@link SelectableChannel} objects.

它是SelectableChannel对象的多路复用器,从这里我们也可以知道Java NIO实际上是多路复用IO。

SelectableChannel有几个子类,你会非常熟悉:

  • DatagramChannel,UDP协议连接
  • SocketChannel,TCP协议连接
  • ServerSocketChannel,专门处理TCP协议Accept事件

我们有必要复习一下多路复用IO的流程

multiplexing-io

第一阶段通过select去轮询检查有没有连接准备好数据,第二阶段把数据从内核空间拷贝到用户空间。

在Java中,就是通过Selector这个多路复用器来实现第一阶段的。

注释II

> A selector may be created by invoking the {@link #open open} method of this class, which will use the system's default {@link java.nio.channels.spi.SelectorProvider selector provider} to create a new selector. A selector may also be created by invoking the {@link java.nio.channels.spi.SelectorProvider#openSelector openSelector} method of a custom selector provider. A selector remains open until it is closed via its {@link #close close} method.

Selector可以通过它自己的open()方法创建,它将通过默认的java.nio.channels.spi.SelectorProvider类创建一个新的Selector。也可以通过实现java.nio.channels.spi.SelectorProvider类的抽象方法openSelector()来自定义实现一个Selector。Selector一旦创建将会一直处于open状态直到调用了close()方法为止。

那么,默认使用的Selector究竟是哪个呢?

通过跟踪源码:

&gt; java.nio.channels.Selector#open()
  1&gt; java.nio.channels.spi.SelectorProvider#provider()
    1.1&gt; sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider#create() // 返回WindowsSelectorProvider
  2&gt; sun.nio.ch.WindowsSelectorProvider#openSelector() // 返回WindowsSelectorImpl

可以看到,在Windows平台下,默认实现的Provider是WindowsSelectorProvider,它的openSelector()方法返回的是WindowsSelectorImpl,它就是Windows平台默认的Selector实现。

为什么要提到在Windows平台呢,难道在Linux下面实现不一样?

是滴,因为网络IO是跟操作系统息息相关的,不同的操作系统的实现可能都不一样,Linux下面JDK的实现完全不一样,那么我们为什么没有感知到呢?我的代码在Windows下面写的,拿到Linux下面不是一样运行?那是Java虚拟机(或者说Java运行时环境)帮我们把这个事干了,它屏蔽了跟操作系统相关的细节,这也是Java代码可以“Write Once, Run Anywhere”的精髓所在。

Selector与Channel的关系

上面我们说了selector是多路复用器,它是在网络IO的第一阶段用来轮询检查有没有连接准备好数据的,那么它和Channel是什么关系呢?

nio

Selector通过不断轮询的方式同时监听多个Channel的事件,注意,这里是同时监听,一旦有Channel准备好了,它就会返回这些准备好了的Channel,交给处理线程去处理。

所以,在NIO编程中,通过Selector我们就实现了一个线程同时处理多个连接请求的目标,也可以一定程序降低服务器资源的消耗。

基本用法

创建Selector

通过调用Selector.open()方法是我们常用的方式:

Selector selector = Selector.open();

当然,也可以通过实现java.nio.channels.spi.SelectorProvider.openSelector()抽象方法自定义一个Selector。

将Channel注册到Selector上

为了将Channel跟Selector绑定在一起,需要将Channel注册到Selector上,调用Channel的register()方法即可:

channel.configureBlocking(false);

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

Channel必须是非阻塞模式才能注册到Selector上,所以,无法将一个FileChannel注册到Selector,因为FileChannel没有所谓的阻塞还是非阻塞模式,本文来源于工从号彤哥读源码。

注册的时候第二个参数传入的是监听的事件,一共有四种事件:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

当Channel触发了某个事件,通常也叫作那个事件就绪了。比如,数据准备好可以读取了就叫作读就绪了,同样地,还有写就绪、连接就绪、接受就绪,当然后面两个不常听到。

在Java中,这四种监听事件是定义在SelectionKey中的:

  • SelectionKey.OP_READ,值为 1 << 0 = 0000 0001
  • SelectionKey.OP_WRITE,值 为 1 << 2 = 0000 0100
  • SelectionKey.OP_CONNECT,值为 1 << 3 = 0000 1000
  • SelectionKey.OP_ACCEPT,值为 1 << 4 = 0001 0000

所以,也可以通过位或命令监听多个感兴趣的事件:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey

正如上面所看到的,Channel注册到Selector后返回的是一个SelectionKey,所以SelectionKey又可以看作是Channel和Selector之间的一座桥梁,把两者绑定在了一起。

SelectionKey具有以下几个重要属性:

  • interest set,感兴趣的事件集
  • ready set,就绪的事件集
  • 保存着的Channel
  • 保存着的Selector
  • attached object,附件

interest set

里面保存了注册Channel到Selector时传入的第二个参数,即感兴趣的事件集。

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept  = interestSet &amp; SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet &amp; SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet &amp; SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet &amp; SelectionKey.OP_WRITE;    

可以通过位与运算查看是否注册了相应的事件。

ready set

里面保存了就绪了的事件集。

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

可以通过readyOps()方法获取所有就绪了的事件,也可以通过isXxxable()方法检查某个事件是否就绪。

保存的Channel和Selector

Channel  channel  = selectionKey.channel();

Selector selector = selectionKey.selector();    

通过channel()selector()方法可以获取绑定的Channel和Selector。

attachment

可以调用attach(obj)方法绑定一个对象到SelectionKey上,并在后面需要用到的时候通过attachment()方法取出绑定的对象,也可以翻译为附件,它可以看作是数据传递的一种媒介,跟ThreadLocal有点类似,在前面绑定数据,在后面使用。

selectionKey.attach(theObject);

Object attachedObj = selectionKey.attachment();

当然,也可以在注册Channel到Selector的时候就绑定附件:

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

Selector.select()

一旦将一个或多个Channel注册到Selector上了,我们就可以调用它的select()方法了,它会返回注册时感兴趣的事件中就绪的事件,本文来源于工从号彤哥读源码。

select()方法有三种变体:

  • select(),无参数,阻塞直到某个Channel有就绪的事件了才返回(当然是我们注册的感兴趣的事件)
  • select(timeout),带超时,阻塞直到某个Channel有就绪的事件了,或者超时了才返回
  • selectNow(),立即返回,不会阻塞,不管有没有就绪的Channel都立即返回

select()的返回值为int类型,表示两次select()之间就绪的Channel,即使上一次调用select()时返回的就绪Channel没有被处理,下一次调用select()也不会再返回上一次就绪的Channel。比如,第一次调用select()返回了一个就绪的Channel,但是没有处理它,第二次调用select()时又有一个Channel就绪了,那也只会返回1,而不是2。

Selector.selectedKeys()

一旦调用select()方法返回了有就绪的Channel,我们就可以使用selectedKeys()方法来获取就绪的Channel了。

Set<selectionkey> selectedKeys = selector.selectedKeys();    

然后,就可以遍历这些SelectionKey来查看感兴趣的事件是否就绪了:

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();
}

最后,一定要记得调用keyIterator.remove();移除已经处理的SelectionKey。

Selector.wakeup()

前面我们说了调用select()方法时,调用者线程会进入阻塞状态,直到有就绪的Channel才会返回。其实也不一定,wakeup()就是用来破坏规则的,可以在另外一个线程调用wakeup()方法强行唤醒这个阻塞的线程,这样select()方法也会立即返回。

如果调用wakeup()时并没有线程阻塞在select()上,那么,下一次调用select()将立即返回,不会进入阻塞状态。这跟LockSupport.unpark()方法是比较类似的。

Selector.close()

调用close()方法将会关闭Selector,同时也会将关联的SelectionKey失效,但不会关闭Channel。

举个栗子

nio

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 绑定8080端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 设置为非阻塞模式,本文来源于工从号彤哥读源码
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将Channel注册到selector上,并注册Accept事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 阻塞在select上
            selector.select();

            // 如果使用的是select(timeout)或selectNow()需要判断返回值是否大于0

            // 有就绪的Channel
            Set<selectionkey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 遍历selectKeys
            Iterator<selectionkey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                // 如果是accept事件
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    // 强制转换为ServerSocketChannel
                    ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                    SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                    System.out.println("accept new conn: " + socketChannel.getRemoteAddress());
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 将SocketChannel注册到Selector上,并注册读事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    // 如果是读取事件
                    // 强制转换为SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    // 创建Buffer用于读取数据
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    // 将数据读入到buffer中
                    int length = socketChannel.read(buffer);
                    if (length &gt; 0) {
                        buffer.flip();
                        byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                        // 将数据读入到byte数组中
                        buffer.get(bytes);

                        // 换行符会跟着消息一起传过来
                        String content = new String(bytes, "UTF-8").replace("\r\n", "");
                        if (content.equalsIgnoreCase("quit")) {
                            selectionKey.cancel();
                            socketChannel.close();
                        } else {
                            System.out.println("receive msg: " + content);
                        }
                    }
                }
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

总结

今天我们学习了Java NIO核心组件Selector,到这里,NIO的三个最重要的核心组件我们就学习完毕了,说实话,NIO这块最重要的还是思维的问题,时刻记着在NIO中一个线程是可以处理多个连接的。

看着Java原生NIO实现网络编程似乎也没什么困难的吗?那么为什么还要有Netty呢?下一章我们将正式进入Netty的学习之中,我们将在其中寻找答案。

最后,也欢迎来我的工从号彤哥读源码系统地学习源码&架构的知识。

nio</selectionkey></selectionkey></selectionkey></selectionkey></selectionkey>

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