Java nio 之 使用选择器

本文整理自《Java NIO》一书。

选择器Selector维护着注册过的通道的集合，并且这些注册关系中的任意一个都是封装在SelectionKey对象中的。每一个Selector对象维护三个键的集合：已注册的键的集合(Registered key set)、已选择的键的集合(Selected key set)、已取消的键的集合(Cancelled key set)。

已注册的键的集合(Registered key set)： 与选择器关联的已经注册的键的集合。并不是所有注册过的键都仍然有效。这个集合通过keys( )方法返回，并且可能是空的。这个已注册的键的集合不是可以直接修改的；试图这么做的话将引java.lang.UnsupportedOperationException。

已选择的键的集合(Selected key set)： 已注册的键的集合的子集。这个集合的每个成员都是相关的通道被选择器（在前一个选择操作中）判断为已经准备好的，并且包含于键的interest集合中的操作。这个集合通过selectedKeys( )方法返回（并有可能是空的）。不要将已选择的键的集合与ready集合弄混了。这是一个键的集合，每个键都关联一个已经准备好至少一种操作的通道。每个键都有一个内嵌的ready集合，指示了所关联的通道已经准备好的操作。键可以直接从这个集合中移除，但不能添加。试图向已选择的键的集合中添加元素将抛出java.lang.UnsupportedOperationException。

已取消的键的集合(Cancelled key set)： 已注册的键的集合的子集，这个集合包含了cancel( )方法被调用过的键（这个键已经被无效化），但它们还没有被注销。这个集合是选择器对象的私有成员，因而无法直接访问。

选择操作是当三种形式的select( )中的任意一种被调用时，由选择器执行的。不管是哪一种形式的调用，下面步骤将被执行：
1.已取消的键的集合将会被检查。如果它是非空的，每个已取消的键的集合中的键将从另外两个集合中移除，并且相关的通道将被注销。这个步骤结束后，已取消的键的集合将是空的。
2.已注册的键的集合中的键的interest集合将被检查。在这个步骤中的检查执行过后，对interest集合的改动不会影响剩余的检查过程。

一旦就绪条件被定下来，底层操作系统将会进行查询，以确定每个通道所关心的操作的真实就绪状态。依赖于特定的select( )方法调用，如果没有通道已经准备好，线程可能会在这时阻塞，通常会有一个超时值。

直到系统调用完成为止，这个过程可能会使得调用线程睡眠一段时间，然后当前每个通道的就绪状态将确定下来。对于那些还没准备好的通道将不会执行任何的操作。对于那些操作系统指示至少已经准备好interest集合中的一种操作的通道，将执行以下两种操作中的一种： 

1.如果通道的键还没有处于已选择的键的集合中，那么键的ready集合将被清空，然后表示操作系统发现的当前通道已经准备好的操作的比特掩码将被设置。

2.否则，也就是键在已选择的键的集合中。键的ready集合将被表示操作系统发现的当前已经准备好的操作的比特掩码更新。所有之前的已经不再是就绪状态的操作不会被清除。事实上，所有的比特位都不会被清理。由操作系统决定的ready集合是与之前的ready集合按位分离的，一旦键被放置于选择器的已选择的键的集合中，它的ready集合将是累积的。比特位只会被设置，不会被清理。

3.步骤2可能会花费很长时间，特别是所激发的线程处于休眠状态时。与该选择器相关的键可能会同时被取消。当步骤2结束时，步骤1将重新执行，以完成任意一个在选择进行的过程中，键已经被取消的通道的注销。

4.select操作返回的值是ready集合在步骤2中被修改的键的数量，而不是已选择的键的集合中的通道的总数。返回值不是已准备好的通道的总数，而是从上一个select( )调用之后进入就绪状态的通道的数量。之前的调用中就绪的，并且在本次调用中仍然就绪的通道不会被计入，而那些在前一次调用中已经就绪但已经不再处于就绪状态的通道也不会被计入。这些通道可能仍然在已选择的键的集合中，但不会被计入返回值中。返回值可能是0。

Selector支持三种select()调用形式：

select()：这种调用在没有通道就绪时将无限阻塞。一旦至少有一个已注册的通道就绪，选择器的选择键就会被更新，并且每个就绪的通道的ready集合也将被更新。返回值将会是已经确定就绪的通道的数目。正常情况下，这些方法将返回一个非零的值，因为直到一个通道就绪前它都会阻塞。但是它也可以返回非0值，如果选择器的wakeup( )方法被其他线程调用。

select(long timeoutMills)：如果在您提供的超时时间（以毫秒计算）内没有通道就绪时，它将返回0。如果一个或者多个通道在时间限制终止前就绪，键的状态将会被更新，并且方法会在那时立即返回。将超时参数指定为0表示将无限期等待，那么它就在各个方面都等同于使用无参数版本的select( )了。

selectNow()：完全非阻塞的，selectNow()方法执行就绪检查过程，但不阻塞。如果当前没有通道就绪，它将立即返回0。

下面代码展示一个socket服务端的代码：

// Allocate an unbound server socket channel 
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open(); 
// Get the associated ServerSocket to bind it with 
ServerSocket serverSocket = serverChannel.socket(); 
// Create a new Selector for use below 
Selector selector = Selector.open(); 
// Set the port the server channel will listen to 
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port)); 
// Set nonblocking mode for the listening socket 
serverChannel.configureBlocking(false); 
// Register the ServerSocketChannel with the Selector 
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 while (true) 
{
	// This may block for a long time. Upon returning, the 
	// selected set contains keys of the ready channels. 
	int n = selector.select(); 
	if (n == 0) 
	{ 
		continue; // nothing to do 
	}
	// Get an iterator over the set of selected keys 
	Iterator it = selector.selectedKeys().iterator(); 
	// Look at each key in the selected set
	 while (it.hasNext()) 
	{
		 SelectionKey key = (SelectionKey) it.next(); 
		// Is a new connection coming in? 
		if (key.isAcceptable()) 
		{ 	
			ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel(); 
			SocketChannel channel = server.accept(); 
			registerChannel(selector, channel, SelectionKey.OP_READ); 
			sayHello(channel); 
		}
		// Is there data to read on this channel? 
		if (key.isReadable()) 
		{
			 readDataFromSocket(key); 
		}
		// Remove key from selected set; it's been handled 
		it.remove(); 
	} 
}