NIO - Selector源码分析

1. 背景

SelectableChannel对象的多路复用器。

可以通过调用Selector.open()方法创建Selector对象。Selector.open()方法会利用系统默认的SelectorProvider创建Selector对象。也可以通过自定义SelectorProvider对象的openSelector方法创建Selector。Selector会一直处于打开状态，直到调用它的close方法。

SelectionKey对象表示每一个注册到Selector的SelectorChannel。每个Selector维护3个集合：

• key集合：表示注册到该Selector的Channel，通过Channel的register方法可以往key集合中添加元素，取消的key在selection操作之间从key集合中移除，key集合不能直接修改，通过keys方法返回。
• selected-key集合：在selection操作中，从所有的key集合中识别出已经ready的key对应的Channel。通过执行set的remove可以移除key或者执行迭代器对象的remove。否则key将不能通过其他方式移除。不可以直接增加到selected-key集合中。
• cancelled-key集合：key已经被取消，但是对应的Channel还没有撤销，这个集合不可以直接访问，这个cancelled-key总是key集合的子集。当key被取消，close对应的Channel或执行它的cancel方法，则添加key到cancelled-key集合中。取消key将导致下一次Selection操作时它的通道被撤销，同时将从所有的Selector的key集合中删除。

备注：新创建的Selector对象，这3个集合都是空集合。

Selection

在每次执行Selection操作时，key可能从selected-key集合中增加或删除，也可能从key集合和cancelled-key集合中删除。通过select()，select(long)，selectNow()方法执行Selection操作，包含3个步骤：

（1）

2. Selector源码分析

2.1 API

public abstract class Selector implements Closeable {

    protected Selector() { }

    // 创建Selector对象
    public static Selector open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openSelector();
    }

    // 检测Selector是否打开
    public abstract boolean isOpen();

    // 返回创建该Selector的Provider
    public abstract SelectorProvider provider();

    // 返回Key集合，key集合不能被直接修改，只有在被cancel和channel被撤销的时候key才被移除。并且不是线程安全的集合。
    public abstract Set<SelectionKey> keys();

    // 返回selected-key集合，key可以直接移除，但是不可以直接增加。并且不是线程安全的集合。
    public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys();

     // 选择channel有IO事件的key。
     // 该方法是非阻塞的selection操作，如果自上次selection操作之后无channel具有IO事件，该方法会立刻返回零。
     // 执行该方法会立刻清除之前执行的wakeup影响。
    public abstract int selectNow() throws IOException;

    // 阻塞操作，只有在以下的状态变化时：
    //（1）至少有一个IO的channel（2）调用selector.wakeup方法（3）当前线程被interrupt（4）timeout时间到(毫秒)
    public abstract int select(long timeout)
        throws IOException;

     // 阻塞操作，返回条件与select(long timeout)类似
    public abstract int select() throws IOException;

     // 唤醒当前select阻塞的操作：如果另一个线程当前阻塞在select或select(long)方法。
     // 如果当前没有select阻塞，则下次执行select或select(long)则直接返回，除非selectNow同时执行；
     //之后select和select(long)方法会正常阻塞；
     // 如果在select操作之间多次调用wakeup与调用一次效果是一样的
    public abstract Selector wakeup();

    // 关闭Selector。
    // 调用close方法，如果当前阻塞在selection操作，就像调用wakeup方法一样会立刻中断操作
    // 与该selector关联的未cancelled的key将失效，它们的channel将撤销，与Selector相关的其他资源将释放。
    // 如果Selector已经关闭，执行这个方法将没有影响。
    // selector关闭之后，如果执行与selector相关的操作会报ClosedSelectorException
    public abstract void close() throws IOException;

}

2.2 类图

2.3 AbstractSelector

AbstractSelector主要实现了Selector的打开关闭的状态维护，支持异步关闭和中断的begin和end方法，cancelledKeys等。

package java.nio.channels.spi;

import java.io.IOException;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import sun.nio.ch.Interruptible;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

// Selector的基本实现。
public abstract class AbstractSelector
    extends Selector
{

    private AtomicBoolean selectorOpen = new AtomicBoolean(true); // 是否打开

    // The provider that created this selector
    private final SelectorProvider provider;

    protected AbstractSelector(SelectorProvider provider) {
        this.provider = provider;
    }
    // 三大key集合之一cancelledKeys
    private final Set<SelectionKey> cancelledKeys = new HashSet<SelectionKey>();

    void cancel(SelectionKey k) {                       // package-private
        synchronized (cancelledKeys) {
            cancelledKeys.add(k);
        }
    }

    public final void close() throws IOException {
        boolean open = selectorOpen.getAndSet(false);
        if (!open)
            return;
        implCloseSelector();// 只有在Selector未关闭的情况下调用，并且只能被调用一次。
    }
    // 关闭Selector
    // 这个方法被close方法调用去执行Selector的关闭操作，只有在Selector未关闭的情况下调用，并且只能被调用一次。具体参考上面close实现
    protected abstract void implCloseSelector() throws IOException;

    public final boolean isOpen() {
        return selectorOpen.get();
    }

    public final SelectorProvider provider() {
        return provider;
    }

    protected final Set<SelectionKey> cancelledKeys() {
        return cancelledKeys;
    }

    // 为Selector注册Channel，这个方法被AbstractSelectableChannel.register方法调用
    protected abstract SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
                                             int ops, Object att);

    protected final void deregister(AbstractSelectionKey key) {
        ((AbstractSelectableChannel)key.channel()).removeKey(key);
    }

    // -- Interruption machinery --

    private Interruptible interruptor = null;
    // 支持异步关闭和中断的begin和end方法
    protected final void begin() {
        if (interruptor == null) {
            interruptor = new Interruptible() {
                    public void interrupt(Thread ignore) {
                        AbstractSelector.this.wakeup();
                    }};
        }
        AbstractInterruptibleChannel.blockedOn(interruptor);
        Thread me = Thread.currentThread();
        if (me.isInterrupted())
            interruptor.interrupt(me);
    }

    protected final void end() {
        AbstractInterruptibleChannel.blockedOn(null);
    }

}　　

备注：支持异步关闭和中断的机制，可以参考http://www.cnblogs.com/lujiango/p/8478154.html

2.4 SelectorImpl

package sun.nio.ch;

import java.io.IOException;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.channels.spi.*;
import java.net.SocketException;
import java.util.*;
import sun.misc.*;

// Selector的基本实现
abstract class SelectorImpl
    extends AbstractSelector
{

    // 已经准备IO的keys
    protected Set<SelectionKey> selectedKeys;

    // 注册到该Selector的所有key
    protected HashSet<SelectionKey> keys;

    // Public views of the key sets
    private Set<SelectionKey> publicKeys;             // 不可变
    private Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;     // 可删除，不可增加

    protected SelectorImpl(SelectorProvider sp) {
        super(sp);
        keys = new HashSet<SelectionKey>();
        selectedKeys = new HashSet<SelectionKey>();
        if (Util.atBugLevel("1.4")) {
            publicKeys = keys;
            publicSelectedKeys = selectedKeys;
        } else {
            publicKeys = Collections.unmodifiableSet(keys);
            publicSelectedKeys = Util.ungrowableSet(selectedKeys);
        }
    }

    public Set<SelectionKey> keys() {
        if (!isOpen() && !Util.atBugLevel("1.4"))
            throw new ClosedSelectorException();
        return publicKeys;
    }

    public Set<SelectionKey> selectedKeys() {
        if (!isOpen() && !Util.atBugLevel("1.4"))
            throw new ClosedSelectorException();
        return publicSelectedKeys;
    }
    // 对于Windows系统，需要WindowsSelectorImpl实现doSelect方法
    protected abstract int doSelect(long timeout) throws IOException; 

    private int lockAndDoSelect(long timeout) throws IOException {
        synchronized (this) {
            if (!isOpen())
                throw new ClosedSelectorException();
            synchronized (publicKeys) {
                synchronized (publicSelectedKeys) {
                    return doSelect(timeout);
                }
            }
        }
    }
    // select方法的实现
    public int select(long timeout)
        throws IOException
    {
        if (timeout < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Negative timeout");
        return lockAndDoSelect((timeout == 0) ? -1 : timeout);
    }

    public int select() throws IOException {
        return select(0);
    }

    public int selectNow() throws IOException {
        return lockAndDoSelect(0);
    }

    public void implCloseSelector() throws IOException {
        wakeup();
        synchronized (this) {
            synchronized (publicKeys) {
                synchronized (publicSelectedKeys) {
                    implClose();
                }
            }
        }
    }
    // 需要WindowsSelectorImpl实现
    protected abstract void implClose() throws IOException;

    void putEventOps(SelectionKeyImpl sk, int ops) { }

    protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
                                          int ops,
                                          Object attachment)
    {
        if (!(ch instanceof SelChImpl))
            throw new IllegalSelectorException();
        SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
        k.attach(attachment);
        synchronized (publicKeys) {
            implRegister(k);
        }
        k.interestOps(ops);
        return k;
    }

    protected abstract void implRegister(SelectionKeyImpl ski);

    void processDeregisterQueue() throws IOException {
        // Precondition: Synchronized on this, keys, and selectedKeys
        Set cks = cancelledKeys();
        synchronized (cks) {
            if (!cks.isEmpty()) {
                Iterator i = cks.iterator();
                while (i.hasNext()) {
                    SelectionKeyImpl ski = (SelectionKeyImpl)i.next();
                    try {
                        implDereg(ski);
                    } catch (SocketException se) {
                        IOException ioe = new IOException(
                            "Error deregistering key");
                        ioe.initCause(se);
                        throw ioe;
                    } finally {
                        i.remove();
                    }
                }
            }
        }
    }

    protected abstract void implDereg(SelectionKeyImpl ski) throws IOException;

    abstract public Selector wakeup(); // 定义唤醒方法

}

　　

2.5 WindowsSelectorImpl和EPollSelectorImpl

具体会分析windows平台的WindowsSelectorImpl，Linux平台的EPollSelectorImpl暂时不做分析。

3. WindowsSelectorImpl