Selector简述
A multiplexor of {@link SelectableChannel} objects.
参照Java doc中Selector描述的第一句话，Selector的作用是Java NIO中管理一组多路复用的SelectableChannel对象，并能够识别通道是否为诸如读写事件做好准备的组件
image.png
Selector的创建过程如下：
// 1.创建Selector
Selector selector = Selector.open();
// 2.将Channel注册到选择器中
// ....... new channel的过程 ....
//Notes：channel要注册到Selector上就必须是非阻塞的，所以FileChannel是不可以使用Selector的，因为FileChannel是阻塞的
channel.configureBlocking(false);
// 第二个参数指定了我们对 Channel 的什么类型的事件感兴趣
SelectionKey key = channel.register(selector , SelectionKey.OP_READ);
// 也可以使用或运算|来组合多个事件，例如
SelectionKey key = channel.register(selector , SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
// 不过值得注意的是，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.
一个Channel在Selector注册其代表的是一个SelectionKey事件，SelectionKey的类型包括：
-
OP_READ：可读事件；值为：1<<0 -
OP_WRITE：可写事件；值为：1<<2 -
OP_CONNECT：客户端连接服务端的事件(tcp连接)，一般为创建SocketChannel客户端channel；值为：1<<3 -
OP_ACCEPT：服务端接收客户端连接的事件，一般为创建ServerSocketChannel服务端channel；值为：1<<4
一个Selector内部维护了三组keys：
-
key set:当前channel注册在Selector上所有的key；可调用keys()获取 -
selected-key set:当前channel就绪的事件；可调用selectedKeys()获取 -
cancelled-key:主动触发SelectionKey#cancel()方法会放在该集合，前提条件是该channel没有被取消注册；不可通过外部方法调用
Selector类中总共包含以下10个方法：
-
open():创建一个Selector对象 -
isOpen():是否是open状态，如果调用了close()方法则会返回false -
provider():获取当前Selector的Provider -
keys():如上文所述，获取当前channel注册在Selector上所有的key -
selectedKeys():获取当前channel就绪的事件列表 -
selectNow():获取当前是否有事件就绪，该方法立即返回结果，不会阻塞；如果返回值>0，则代表存在一个或多个 -
select(long timeout):selectNow的阻塞超时方法，超时时间内，有事件就绪时才会返回；否则超过时间也会返回 -
select():selectNow的阻塞方法，直到有事件就绪时才会返回 -
wakeup():调用该方法会时，阻塞在select()处的线程会立马返回；(ps：下面一句划重点)即使当前不存在线程阻塞在select()处，那么下一个执行select()方法的线程也会立即返回结果，相当于执行了一次selectNow()方法 -
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。channel本身并不会关闭。
关于SelectionKey
谈到Selector就不得不提SelectionKey，两者是紧密关联，配合使用的；如上文所示，往Channel注册Selector会返回一个SelectionKey对象，
这个对象包含了如下内容：
- interest set,当前Channel感兴趣的事件集，即在调用
register方法设置的interes set - ready set
- channel
- selector
- attached object，可选的附加对象
interest set
可以通过SelectionKey类中的方法来获取和设置interes set
// 返回当前感兴趣的事件列表
int interestSet = key.interestOps();
// 也可通过interestSet判断其中包含的事件
boolean isInterestedInAccept = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;
// 可以通过interestOps(int ops)方法修改事件列表
key.interestOps(interestSet | SelectionKey.OP_WRITE);
ready set
当前Channel就绪的事件列表
int readySet = key.readyOps();
// 也可通过四个方法来分别判断不同事件是否就绪
key.isReadable(); //读事件是否就绪
key.isWritable(); //写事件是否就绪
key.isConnectable(); //客户端连接事件是否就绪
key.isAcceptable(); //服务端连接事件是否就绪
channel和selector
我们可以通过SelectionKey来获取当前的channel和selector
// 返回当前事件关联的通道，可转换的选项包括:`ServerSocketChannel`和`SocketChannel`
Channel channel = key.channel();
//返回当前事件所关联的Selector对象
Selector selector = key.selector();
attached object
我们可以在selectionKey中附加一个对象:
key.attach(theObject);
Object attachedObj = key.attachment();
或者在注册时直接附加:
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
一个Selector完整的例子
一个Selector的基本使用流程包括（读者不放试着按照这个流程自己实现一波）：
- 创建一个Selector
- 将Channel注册到Selector中，并设置监听的interest set
- loop
- 执行select()方法
- 调用selector.selectedKeys()获取当前就绪的key
- 迭代selectedKeys
- 从key中获取对应的Channel和附加信息(if exist)
- 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.
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* Created by locoder on 2019/2/28.
*/
public class SelectorDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// create a Selector
Selector selector = Selector.open();
// new Server Channel
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// config async
ssc.configureBlocking(false);
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// register to selector
// Notes：这里只能注册OP_ACCEPT事件，否则将会抛出IllegalArgumentException,详见AbstractSelectableChannel#register方法
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// loop
for (; ; ) {
int nKeys = selector.select();
if (nKeys > 0) {
Set keys = selector.selectedKeys();
for (Iterator it = keys.iterator(); it.hasNext(); ) {
SelectionKey key = it.next();
// 处理客户端连接事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel clientChannel = serverSocketChannel.accept();
clientChannel.configureBlocking(false);
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024 * 1024));
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
int readBytes = 0;
int ret = 0;
try {
while ((ret = socketChannel.read(buf)) > 0) {
readBytes += ret;
}
if (readBytes > 0) {
String message = decode(buf);
System.out.println(message);
// 这里注册写事件，因为写事件基本都处于就绪状态；
// 从处理逻辑来看，一般接收到客户端读事件时也会伴随着写，类似HttpServletRequest和HttpServletResponse
key.interestOps(key.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
}
} finally {
// 将缓冲区切换为待读取状态
buf.flip();
}
} else if (key.isValid() && key.isWritable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
if (buf.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buf);
} else {
// 取消写事件，否则写事件内的代码会不断执行
// 因为写事件就绪的条件是判断缓冲区是否有空闲空间，绝大多时候缓存区都是有空闲空间的
key.interestOps(key.interestOps() & (~SelectionKey.OP_WRITE));
}
// 丢弃本次内容
buf.compact();
}
// 注意, 在每次迭代时, 我们都调用 "it.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.
it.remove();
}
}
}
}
/**
* 将ByteBuffer转换为String
*
* @param in
* @return
* @throws UnsupportedEncodingException
*/
private static String decode(ByteBuffer in) throws UnsupportedEncodingException {
String receiveText = new String(in.array(), 0, in.capacity(), Charset.defaultCharset());
int index = -1;
if ((index = receiveText.lastIndexOf("\r\n")) != -1) {
receiveText = receiveText.substring(0, index);
}
return receiveText;
}
}
深入Selector源码
下面我们继续按照Selector的编码过程来学习Selector源码
（1）创建过程
image.png
从上图上可以比较清晰得看到，openjdk中Selector的实现是SelectorImpl,
然后SelectorImpl又将职责委托给了具体的平台，比如图中框出的linux2.6以后才有的EpollSelectorImpl, Windows平台则是WindowsSelectorImpl, MacOSX平台是KQueueSelectorImpl.
public static Selector open() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().openSelector();
}
// 创建是依赖SelectorProvider.provider()系统级提供
// 我们来看SelectorProvider.provider()方法
// 从系统配置java.nio.channels.spi.SelectorProvider获取
if (loadProviderFromProperty()) return provider;
// 从ServiceLoader#load
if (loadProviderAsService()) return provider;
// 如果还不存在则使用默认provider，即KQueueSelectorProvider
provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
（2）注册过程
// AbstractSelectableChannel#register方法
SelectionKey register(Selector sel, int ops,Object att){
synchronized (regLock) {
// 判断当前Channel是否关闭
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
// 判断参数ops是否只包含OP_ACCEPT
if ((ops & ~validOps()) != 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 使用Selector则Channel必须是非阻塞的
if (blocking)
throw new IllegalBlockingModeException();
// 根据Selector找到SelectionKey，它是可复用的，一个Selector只能有一个SelectionKey，如果存在则直接覆盖ops和attachedObject
SelectionKey k = findKey(sel);
if(key != null) {
....
}
// 如果不存在则直接实例化一个SelectionKeyImpl对象，并为ops和attachedObject赋值；实际调用AbstractSelector的register方法
// 将Selector和SelectionKey绑定
if (k == null) {
// New registration
synchronized (keyLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
addKey(k);
}
}
return k;
}
}
（3）select过程
select是Selector模型中最关键的一步，下面让我们来研究一下其过程
// 首先来看select的调用链
// SelectorImpl#select -> SelectorImpl#lockAndDoSelect -> 具体provider提供的Selector中的doSelect方法
// 值得注意的是：在lockAndDoSelect方法中执行了`synchronized(this)`操作，故select操作是阻塞的
// open过程中我们知道，Selector有好几种实现，但基本都包含以下操作;感兴趣的同学可以具体看看这位大神写的博客：https://juejin.im/entry/5b51546df265da0f70070b93；这里就不深入写这部分了，篇幅有点长
int doSelect(long timeout) {
// close判断，如果closed，则抛出ClosedSelectorException
// 处理掉被cancel掉的SelectionKey，即`cancelled-key`
this.processDeregisterQueue();
try {
// 设置中断器，实际调用的是AbstractSelector.this.wakeup();方法
// 调用的是方法AbstractInterruptibleChannel.blockedOn(Interruptible);
this.begin();
// 从具体的模型中(kqueue、poll、epoll)选择
this.pollWrapper.poll(...);
}finally {
// 关闭中断器
this.end();
}
// 重新处理被cancel的key
this.processDeregisterQueue();
// 更新各个事件的状态
int selectedKeys = this.updateSelectedKeys();
// 可能还有一些操作
.....
return selectedKeys;
}
疑惑点
Q：各事件分别在什么条件下就绪？
- OP_ACCEPT:客户端向服务端发起TCP连接建立【服务端的代码监听】
- OP_CONNECT:客户端与服务端的连接建立成功或失败【客户端代码监听】
- OP_READ:客户端向服务端发请求或服务端向客户端写入数据时
- OP_WRITE:判断缓冲区是否有空闲空间
FYI
- java NIO selector全面深入理解
- Java NIO中Write事件和Connect事件
- Java NIO 的前生今世 之四 NIO Selector 详解
- Java NIO分析(8): 高并发核心Selector详解
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