【Java】NIO中Selector的创建源码分析

在使用Selector时首先需要通过静态方法open创建Selector对象

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

可以看到首先是调用SelectorProvider的静态方法provider，得到一个Selector的提供者

 public static SelectorProvider provider() {
     synchronized (lock) {
         if (provider != null)
             return provider;
         return AccessController.doPrivileged(
             new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
                 public SelectorProvider run() {
                         if (loadProviderFromProperty())
                             return provider;
                         if (loadProviderAsService())
                             return provider;
                         provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
                         return provider;
                     }
                 });
     }
 }

这段代码的逻辑也比较简单，首先判断provider是否已经产生，若已经产生，则直接返回现有的；若没有，则需要调用AccessController的静态方法doPrivileged，该方法是一个native方法，就不说了；可以看到在实现的PrivilegedAction接口中的run方法，做了三次判断：

第一次是根据是系统属性，使用ClassLoader类加载:

 private static boolean loadProviderFromProperty() {
     String cn = System.getProperty("java.nio.channels.spi.SelectorProvider");
     if (cn == null)
         return false;
     try {
         Class<?> c = Class.forName(cn, true,
                                    ClassLoader.getSystemClassLoader());
         provider = (SelectorProvider)c.newInstance();
         return true;
     } catch (ClassNotFoundException x) {
         throw new ServiceConfigurationError(null, x);
     } catch (IllegalAccessException x) {
         throw new ServiceConfigurationError(null, x);
     } catch (InstantiationException x) {
         throw new ServiceConfigurationError(null, x);
     } catch (SecurityException x) {
         throw new ServiceConfigurationError(null, x);
     }
 }

先获取键值为"java.nio.channels.spi.SelectorProvider"的属性，若没有，则直接返回false；若设置了，则需要使用加载器直接加载系统属性设置的java.nio.channels.spi.SelectorProvider的实现类，再通过反射机制直接产生实例对象并赋值给静态成员provider，最后返回true。

第二次使用ServiceLoader加载：

 private static boolean loadProviderAsService() {
     ServiceLoader<SelectorProvider> sl =
         ServiceLoader.load(SelectorProvider.class,
                            ClassLoader.getSystemClassLoader());
     Iterator<SelectorProvider> i = sl.iterator();
     for (;;) {
         try {
             if (!i.hasNext())
                 return false;
             provider = i.next();
             return true;
         } catch (ServiceConfigurationError sce) {
             if (sce.getCause() instanceof SecurityException) {
                 // Ignore the security exception, try the next provider
                 continue;
             }
             throw sce;
         }
     }
 }

有关ServiceLoader的加载过程可以看我的上一篇博客【Java】ServiceLoader源码分析，在这里我就不累赘了。
该方法调用ServiceLoader的load加载在"META-INF/services/"路径下指明的SelectorProvider.class的实现类（其实是懒加载，在迭代时才真正加载）得到ServiceLoader对象，通过该对象的带迭代器，遍历这个迭代器；可以看到若是迭代器不为空，则直接返回迭代器保存的第一个元素，即第一个被加载的类的对象，并赋值给provider，返回true；否则返回false；

第三次是使用的默认的SelectorProvider（windows环境为例）：

 public class DefaultSelectorProvider {
     private DefaultSelectorProvider() {
     }

     public static SelectorProvider create() {
         return new WindowsSelectorProvider();
     }
 }

可以看到直接返回了WindowsSelectorProvider赋值给provider ；

此时provider无论如何都已经有了，接下来就是调用provider的openSelector方法。

WindowsSelectorProvider的openSelector方法：

 public class WindowsSelectorProvider extends SelectorProviderImpl {
     public WindowsSelectorProvider() {
     }

     public AbstractSelector openSelector() throws IOException {
         return new WindowsSelectorImpl(this);
     }
 }

可以看到仅仅是产生了WindowsSelectorImpl：

 WindowsSelectorImpl(SelectorProvider var1) throws IOException {
     super(var1);
     this.wakeupSourceFd = ((SelChImpl)this.wakeupPipe.source()).getFDVal();
     SinkChannelImpl var2 = (SinkChannelImpl)this.wakeupPipe.sink();
     var2.sc.socket().setTcpNoDelay(true);
     this.wakeupSinkFd = var2.getFDVal();
     this.pollWrapper.addWakeupSocket(this.wakeupSourceFd, 0);
 }

WindowsSelectorImpl首先调用父类SelectorImpl的构造方法：

 protected Set<SelectionKey> selectedKeys = new HashSet();
 protected HashSet<SelectionKey> keys = new HashSet();
 private Set<SelectionKey> publicKeys;
 private Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;

 protected SelectorImpl(SelectorProvider var1) {
     super(var1);
     if (Util.atBugLevel("1.4")) {
         this.publicKeys = this.keys;
         this.publicSelectedKeys = this.selectedKeys;
     } else {
         this.publicKeys = Collections.unmodifiableSet(this.keys);
         this.publicSelectedKeys = Util.ungrowableSet(this.selectedKeys);
     }

 }

SelectorImpl同样调用父类AbstractSelector的构造：

 protected AbstractSelector(SelectorProvider provider) {
         this.provider = provider;
 }

此时的provider就是刚才产生的WindowsSelectorProvider对象；
在SelectorImpl中还会对其成员有一系列的赋值操作；
上述都完成后才继续完成WindowsSelectorImpl的构造。

WindowsSelectorImpl在进行this.wakeupSourceFd = ((SelChImpl)this.wakeupPipe.source()).getFDVal()之前，其wakeupPipe成员如下：

 private final Pipe wakeupPipe = Pipe.open();

wakeupPipe管道通过Pipe.open()赋值：

 public static Pipe open() throws IOException {
     return SelectorProvider.provider().openPipe();
 }

可以看到实际上 SelectorProvider.provider()的provider的openPipe方法，而这个provider就是WindowsSelectorProvider，而WindowsSelectorProvider继承自SelectorProviderImpl，openPipe方法是在SelectorProviderImpl里实现的：

 public Pipe openPipe() throws IOException {
     return new PipeImpl(this);
 }

该方法直接产生了PipeImpl对象，并将WindowsSelectorProvider对象传入进去：

 PipeImpl(SelectorProvider var1) throws IOException {
     try {
         AccessController.doPrivileged(new PipeImpl.Initializer(var1));
     } catch (PrivilegedActionException var3) {
         throw (IOException)var3.getCause();
     }
 }

可以看到这个构造方法实际上是以特权模式运行的PipeImpl的内部类Initializer的run方法（doPrivileged需要的参数是PrivilegedExceptionAction接口的实现类，该接口只有run方法）：
Initializer 的初始化：

 private class Initializer implements PrivilegedExceptionAction<Void> {
     private final SelectorProvider sp;
     private IOException ioe;

     private Initializer(SelectorProvider var2) {
         this.ioe = null;
         this.sp = var2;
     }
     ......
 }

该构造方法给sp赋值为传入进来的WindowsSelectorProvider对象，令ioe=null；
其所实现的run方法如下：

 public Void run() throws IOException {
     PipeImpl.Initializer.LoopbackConnector var1 = new PipeImpl.Initializer.LoopbackConnector();
     var1.run();
     if (this.ioe instanceof ClosedByInterruptException) {
         this.ioe = null;
         Thread var2 = new Thread(var1) {
             public void interrupt() {
             }
         };
         var2.start();

         while(true) {
             try {
                 var2.join();
                 break;
             } catch (InterruptedException var4) {
                 ;
             }
         }

         Thread.currentThread().interrupt();
     }

     if (this.ioe != null) {
         throw new IOException("Unable to establish loopback connection", this.ioe);
     } else {
         return null;
     }
 }

首先产生LoopbackConnector 对象，是Initializer的内部类，而且实现了Runnable接口：

 private class LoopbackConnector implements Runnable {
     private LoopbackConnector() {
     }
 }

其实现的run方法如下：

 public void run() {
     ServerSocketChannel var1 = null;
     SocketChannel var2 = null;
     SocketChannel var3 = null;

     try {
         ByteBuffer var4 = ByteBuffer.allocate(16);
         ByteBuffer var5 = ByteBuffer.allocate(16);
         InetAddress var6 = InetAddress.getByName("127.0.0.1");

         assert var6.isLoopbackAddress();

         InetSocketAddress var7 = null;

         while(true) {
             if (var1 == null || !var1.isOpen()) {
                 var1 = ServerSocketChannel.open();
                 var1.socket().bind(new InetSocketAddress(var6, 0));
                 var7 = new InetSocketAddress(var6, var1.socket().getLocalPort());
             }

             var2 = SocketChannel.open(var7);
             PipeImpl.RANDOM_NUMBER_GENERATOR.nextBytes(var4.array());

             do {
                 var2.write(var4);
             } while(var4.hasRemaining());

             var4.rewind();
             var3 = var1.accept();

             do {
                 var3.read(var5);
             } while(var5.hasRemaining());

             var5.rewind();
             if (var5.equals(var4)) {
                 PipeImpl.this.source = new SourceChannelImpl(Initializer.this.sp, var2);
                 PipeImpl.this.sink = new SinkChannelImpl(Initializer.this.sp, var3);
                 break;
             }

             var3.close();
             var2.close();
         }
     } catch (IOException var18) {
         try {
             if (var2 != null) {
                 var2.close();
             }

             if (var3 != null) {
                 var3.close();
             }
         } catch (IOException var17) {
             ;
         }

         Initializer.this.ioe = var18;
     } finally {
         try {
             if (var1 != null) {
                 var1.close();
             }
         } catch (IOException var16) {
             ;
         }

     }

 }

在这个run方法中首先定义了三个Channel一个ServerSocketChannel和两个SocketChannel，然后申请了两个十六字节的ByteBuffer缓冲区，定义了一个回送地址var6；在while循环中先检查ServerSocketChannel是否开启了，若没有则需要调用open方法开启并赋值给var1，绑定地址为var6即回送地址，端口为0，令var7这个InetSocketAddress对象的地址是var6，端口是ServerSocketChannel的端口；ServerSocketChannel初始化完毕，初始化一个SocketChannel即var2，通过刚才的var7这个InetSocketAddress对象和ServerSocketChannel建立连接；

在PipeImpl里有一个静态成员：

 private static final Random RANDOM_NUMBER_GENERATOR = new SecureRandom();

RANDOM_NUMBER_GENERATOR 听名字就知道它是用来生成随机数；
通过RANDOM_NUMBER_GENERATOR将从生成的随机数存放在其中一个缓冲区ByteBuffer（var4）中，然后通过刚才连接好的SocketChannel即var2的write方法写入缓冲区中的所有可用数据发送给ServerSocketChannel；令var4缓冲区标志置0；接着ServerSocketChannel调用accept方法侦听刚才的连接产生一个SocketChannel对象var3，从var3中读取数据存放在缓冲区var5中，令var5缓冲区标志置0；然后比较var4和var5中的内容是否一致，若是一致则给PipeImpl的成员source和sink分别初始化保存起来，若不一致就继续循环，不断地重复上述过程，直至Pipe通道成功建立；至此结束LoopbackConnector的run方法。
其在连接建立的过程中若是出现了异常会通过Initializer的ioe成员保存异常。

再回到Initializer的run方法，在完成LoopbackConnector的run方法后，再根据ioe判读是否在刚才的连接建立中出现了ClosedByInterruptException异常，若是出现还需要通过线程启动LoopbackConnector的run方法直至其结束；若不是ClosedByInterruptException异常则直接抛出IOException。

至此PipeImpl的构造结束，再回到WindowsSelectorImpl的构造，通过上述的操作产生的PipeImpl对象就赋值给了wakeupPipe成员；wakeupPipe的source就是刚才产生的SourceChannelImpl对象，wakeupPipe的sink就是刚才产生的SinkChannelImpl对象，再使用wakeupSourceFd保存source的fdVal值和wakeupSinkFd保存sink的fdVal值；并且禁用Nagle算法，最后使用pollWrpper成员保存source的fdVal值。

上述建立的这个连接通道的主要目的不是为了确保能建立连接，而是为了解决Selector的select方法的阻塞问题，调用select方法时只有注册在Selector上的channel有事件就绪时才会被唤醒，而Selector提供的wakeup方法就利用了上述建立好的通道，通过SinkChannel给SourceChannel发送信号量，使得select被唤醒，具体实现会在后续的博客给出。

Selector到此创建完毕。