NIO组件 Selector(选择器）

简介

• 使用Selector(选择器), 可以使用一个线程处理多个客户端连接。
• Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector), 如果有事件发生, 便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道, 也就是管理多个连接和请求。
• 只有在连接有读写事件发生时, 才会进行续写, 就大大地减少了系统开销, 并且不必为每个连接都创建一个线程, 不用去维护多个线程。
• 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

特性

• Netty的IO线程NioEventLoop聚合了Selector(选择器, 也被称为多路复用器), 可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
• 当线程从某客户端Socket通道进行读写数据时, 若没有数据可用时, 该线程可以进行其他任务。
• 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其他通道上执行IO操作, 所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
• 由于读写操作都是非阻塞的(Buffer), 这就可以充分提升IO线程的运行效率, 避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起。
• 一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作, 这从根本上解决了传统BIO一连接一线程模型, 架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

Selector类相关方法

• public static Selector open(){}: 得到一个选择器对象

   /**
       * Opens a selector.
       *
       * <p> The new selector is created by invoking the {@link
       * java.nio.channels.spi.SelectorProvider#openSelector openSelector} method
       * of the system-wide default {@link java.nio.channels.spi.SelectorProvider}
       * object.  </p>
       * 新的选择器通过调用系统全局默认对象SelectorProvider的openSelector方法来创建新
       * Selector对象
       *
       * @return  A new selector
       *
       * @throws  IOException
       *          If an I/O error occurs
       */
      public static Selector open() throws IOException {
          return SelectorProvider.provider().openSelector();
      }
  
  

  • 在这里使用了Provider(提供者)设计模式, 通过provider方法提供一个选择器提供者对象, 该对象再调用openSelector()方法生成了一个Selector。

        /**
         * Returns the system-wide default selector provider for this invocation
         * of the Java virtual machine.
         * 为进行此次申请的Java虚拟机返回系统全局默认的选择器提供者
         *
         * <p> The first invocation of this method locates the default provider
         * object as follows: </p>
         * 第一次请求该方法定位了默认的提供者对象如下:
         * <ol>
         *
         *   <li><p> If the system property
         *   <tt>java.nio.channels.spi.SelectorProvider</tt> is defined then it
         *   is taken to be the fully-qualified name of a concrete provider
         *   class.
         *   如果系统所有物(选择提供者)被定义了, 那么它就会被认为是一个实体提供者类的完
         *   全限定名
         *   The class is loaded and instantiated; if this process fails then an
         *   unspecified error is thrown.  </p></li>
         *   该类被加载并被初始化, 如果此过程失败了就会抛出 未定的错误
         *
         *   <li><p> If a provider class has been installed in a jar file that is
         *   visible to the system class loader, and that jar file contains a
         *   provider-configuration file named
         *   <tt>java.nio.channels.spi.SelectorProvider</tt> in the resource
         *   directory <tt>META-INF/services</tt>, then the first class name
         *   specified in that file is taken.
         *   如果提供者类已经被存入一个对系统类加载器可见的jar文件, 并且该jar文件包含了
         *   一个在 META-INF/services 资源目录下的 名为 SelectorProvider的提供者配置
         *   文件, 那么该文件中的第一个被列出的类名称被选择。
         *
         *   The class is loaded and instantiated; if this process fails then an
         *   unspecified error is thrown.  </p></li>
         *   该类会被加载并且初始化, 如果此过程失败了就会抛出 未定的错误。
         *
         *   <li><p> Finally, if no provider has been specified by any of the
         *   above means then the system-default provider class is instantiated
         *   and the result is returned.  </p></li>
         *   最终, 如果没有提供者被任何以上方式定义, 那么系统默认提供者类就会被初始化,
         *   并返回该结果
         *
         * </ol>
         *
         * <p> Subsequent invocations of this method return the provider that was
         * returned by the first invocation.  </p>
         * 接下来的对该方法的请求返回第一次请求时被返回的提供者。
         *
         * @return  The system-wide default selector provider
         */
        public static SelectorProvider provider() {
            // 这个lock是个对象, 不是锁哦, synchronized锁的只是Object
            synchronized (lock) {
                // 如果提供者不为空, 就返回提供者本身
                if (provider != null)
                    return provider;
                // 否则就调用获取控制器类的本地方法doPrivilege(给予权限)
                return AccessController.doPrivileged(
                    // PrivilegedAction本身是一个接口, 实现该接口的类都要重写run方法
                    new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
                        public SelectorProvider run() {
                                // 如果是以属性的方式加载(方法底层比较复杂, 反射, 类加载器, 迭代器都有涉及)
                                if (loadProviderFromProperty())
                                    return provider;
                                // 如果是以服务的方式加载(方法底层比较复杂, 同上)
                                if (loadProviderAsService())
                                    return provider;
                                // 创建了一个新的提供者对象
                                provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
                                return provider;
                            }
                        });
            }
        }
    

• public int select(long timeout){}: 监控所有注册的通道, 当其中有IO操作可以进行时, 将对应的SelectionKey 加入到内部集合中并返回, 参数用来设置超时时间

  • 这是SelectorImpl实现类中的反编译代码

      public int select(long var1) throws IOException {
          // timeout < 0 就抛非法参数异常
          if (var1 < 0L) {
              throw new IllegalArgumentException("Negative timeout");
          } else {
              // 如果timeout时间为0, 就执行lockAndDoSelect(-1L), 否则就执行lockAndDoSelect(原timeout时间)
              return this.lockAndDoSelect(var1 == 0L ? -1L : var1);
          }
      }
  
  	// 不传参默认为0L(无延迟)
      public int select() throws IOException {
          return this.select(0L);
      }
  
  	// 加锁并选择(无延迟)
      public int selectNow() throws IOException {
          return this.lockAndDoSelect(0L);
      }
      private int lockAndDoSelect(long var1) throws IOException {
              // 锁了当前对象
              synchronized(this) {
                  // 如果当前选择器没有打开, 就抛出选择器关闭异常
                  if (!this.isOpen()) {
                      throw new ClosedSelectorException();
                  } else {
                      int var10000;
                      // 这其实是一个双重检查锁的单例模式
                      // 对当前选择器的publickeys加锁
                      synchronized(this.publicKeys) {
                          // 对当前选择器的publicSelectedKeys加锁
                          synchronized(this.publicSelectedKeys) {
                              var10000 = this.doSelect(var1);
                          }
                      }
                      return var10000;
                  }
              }
          }
  

• public Set selectedKeys(){}: 从内部集合中得到所有的SelectionKey

  public Set<SelectionKey> selectedKeys() {
      // 如果没有被打开并且工具类的bug级别为1.4, 就抛出异常
      if (!this.isOpen() && !Util.atBugLevel("1.4")) {
          throw new ClosedSelectorException();
      } else {
          // 否则就返回当前选择器的publicSelectedKeys
          return this.publicSelectedKeys;
      }
  }
  

Selector示意图

• 说明:
  • 当客户端连接时, 会通过ServerSocketChannel得到SocketChannel
  • 将socketChannel注册到Selector上, register(Selector selector, int ops), 一个selector上可以注册多个SocketChannel
  • 注册后返回一个SelectionKey, 会与该Selector关联(集合)
  • Selector 进行监听 select方法, 返回有事件发生的通道的个数
  • 进一步得到各个 SelectionKey(发生的事件)
  • 再通过Selectionkey 反向获取 SocketChannel, 方法channel()
  • 可以通过得到的channel, 完成业务处理

服务端Demo

package com.ronnie.nio;

import java.io.IOException;
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.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建ServerSocketChannel -> ServerSocket

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 得到Selector对象
        Selector selector = Selector.open();

        // 绑定一个端口:8888, 在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));

        // 设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 把 serverSocketChannel注册到 selector, 连接事件为OP_ACCEPTOR
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 循环等待客户端连接
        while (true){
            // 无事件发生, 等待1秒
            if(selector.select(1000) == 0){
                System.out.println("Server waited for 1 second, no connection");
                continue;
            }

            /*如果返回的>0, 就获取到相关的selectionKey集合
             1. 如果返回的>0, 表示已经获取到关注的事件了
             2. selector.selectedKeys()返回关注事件的集合
               通过 selectionKeys反向获取通道
             */

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            // 遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历(iterator)
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()){
                // 获取到selectionKey
                SelectionKey key = keyIterator.next();

                // 根据key对应的通道发生的事件做相应的处理
                if (key.isAcceptable()){ // 如果是OP_ACCEPT(有新的客户端连接)
                    // 为该客户端生成一个SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                    // 将当前的 socketChannel 注册到 selector, 关注事件为OP_READ, 同时给socketChannel关联一个Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                }
                if (key.isReadable()){ // 发生OP_READ
                    // 通过key反向获取到对应的channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

                    // 获取到该channel关联的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();

                    channel.read(buffer);

                    System.out.println("From Client: " + new String(buffer.array()));
                }
                // 手动从集合中移除当前的selectionKey, 防止重复操作
                keyIterator.remove();
            }
        }

    }
}

客户端Demo

package com.ronnie.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 得到一个网络通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        // 设置非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 提供服务器端ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);

        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){

            while (!socketChannel.finishConnect()){
                System.out.println("Need time to connect, the client side won't block, we can do other works");
            }
        }
        // 如果连接成功, 就发送数据
        String str = "Hello, Hadoop, Storm, Spark, Flink";

        // wraps a byte array into a buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());

        // 发送数据, 将buffer数据写入 channel
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();
    }
}