【NIO】Selector

经过前边几节的介绍，我相信大家都掌握了IO多路复用的核心思想了。昨天我给了一个使用C语言进行 linux 编程的IO多路复用的例子。那个例子使用的是 poll 这个系统调用，今天我会给出一个使用Java实现与之完全对等的例子。

Selector

在Java中，Selector这个类是select/epoll/poll的外包类，在不同的平台上，底层的实现可能有所不同，但其基本原理是一样的，其原理图如下所示：

所有的Channel都归Selector管理，这些channel中只要有至少一个有IO动作，就可以通过Selector.select方法检测到，并且使用selectedKeys得到这些有IO的channel，然后对它们调用相应的IO操作。

我这里有一个服务端的例子，这个例子与昨天使用 poll 的 C 语言的例子是完全对应的：

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 EpollServer {public static void main(String[] args) {try {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));ssc.configureBlocking(false);Selector selector = Selector.open();// 注册 channel，并且指定感兴趣的事件是 Acceptssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(1024);ByteBuffer writeBuff = ByteBuffer.allocate(128);writeBuff.put("received".getBytes());writeBuff.flip();while (true) {int nReady = selector.select();Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key = it.next();it.remove();if (key.isAcceptable()) {// 创建新的连接，并且把连接注册到selector上，而且，// 声明这个channel只对读操作感兴趣。SocketChannel socketChannel = ssc.accept();socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);}else if (key.isReadable()) {SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();readBuff.clear();socketChannel.read(readBuff);readBuff.flip();System.out.println("received : " + new String(readBuff.array()));key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);}else if (key.isWritable()) {writeBuff.rewind();SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();socketChannel.write(writeBuff);key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

这个例子的关键点：

创建一个ServerSocketChannel，和一个Selector，并且把这个server channel 注册到 selector上，注册的时间指定，这个channel 所感觉兴趣的事件是 SelectionKey.OP_ACCEPT，这个事件代表的是有客户端发起TCP连接请求。
使用 select 方法阻塞住线程，当select 返回的时候，线程被唤醒。再通过selectedKeys方法得到所有可用channel的集合。
遍历这个集合，如果其中channel 上有连接到达，就接受新的连接，然后把这个新的连接也注册到selector中去。
如果有channel是读，那就把数据读出来，并且把它感兴趣的事件改成写。如果是写，就把数据写出去，并且把感兴趣的事件改成读。

这个程序的核心骨架就这么点，很简单。

为了测试这个服务端，我提供了一个客户端的小例子：

public class EpollClient {public static void main(String[] args) {try {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);writeBuffer.put("hello".getBytes());writeBuffer.flip();while (true) {writeBuffer.rewind();socketChannel.write(writeBuffer);readBuffer.clear();socketChannel.read(readBuffer);}} catch (IOException e) {}}
}

这个客户端不断地向服务端发送"hello"，并且从服务端接收"received"。

大家多启几个客户端程序，去连接同一个服务端，观察一下现象，动手改一下客户端代码，让它发送的更丰富一点，不要让每一个客户端发的都一样。

原理和实现

我们来分析一下，具体的实现，先从创建入手，看一下Selector.open的实现

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

这个Provider在不同的机器上会有不同的默认实现，例如在linux平台上，就是这样的：

代码位于jdk/src/solaris/classes/sun/nio/ch/DefaultSelectorProvider.java

    public static SelectorProvider create() {String osname = AccessController.doPrivileged(new GetPropertyAction("os.name"));if (osname.equals("SunOS"))return createProvider("sun.nio.ch.DevPollSelectorProvider");if (osname.equals("Linux"))return createProvider("sun.nio.ch.EPollSelectorProvider");return new sun.nio.ch.PollSelectorProvider();}

可以看到，如果是高版本的Linux，就会使用EPollSelectorProvider，而默认则使用PollSelectorProvider, epoll相关的内容，我们下节课介绍，今天先不管它，继续看poll的实现。

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

OK，找到这个地方了。至于register的过程，我就不分析了。我今天只分析一下select 的过程。通过查看select的实现，我们最终可以找到这个位置：

solaris/classes/sun/nio/ch/PollSelectorImpl.java中的doSelect

    protected int doSelect(long timeout)throws IOException{   if (channelArray == null)throw new ClosedSelectorException();processDeregisterQueue();try {begin();pollWrapper.poll(totalChannels, 0, timeout);} finally {end();}   processDeregisterQueue();int numKeysUpdated = updateSelectedKeys();if (pollWrapper.getReventOps(0) != 0) {// Clear the wakeup pipepollWrapper.putReventOps(0, 0); synchronized (interruptLock) {IOUtil.drain(fd0);interruptTriggered = false;}   }   return numKeysUpdated;}

这里最重要的是pollWrapper.poll，OK，我们去看这个定义：

    int poll(int numfds, int offset, long timeout) {return poll0(pollArrayAddress + (offset * SIZE_POLLFD),numfds, timeout);}   private native int poll0(long pollAddress, int numfds, long timeout);

又到了native方法了。大家可以猜一下这个poll0是怎么实现的，然后我们来看答案：

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_PollArrayWrapper_poll0(JNIEnv *env, jobject this,jlong address, jint numfds,jlong timeout)
{struct pollfd *a;int err = 0;a = (struct pollfd *) jlong_to_ptr(address);if (timeout <= 0) {           /* Indefinite or no wait */RESTARTABLE (poll(a, numfds, timeout), err);} else {                     /* Bounded wait; bounded restarts */err = ipoll(a, numfds, timeout);}if (err < 0) {JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Poll failed");}return (jint)err;
}

如何，你是不是已经猜到了？绕了这么久，到最后，原来是我们的大熟人 poll 啊。到此为止，我们终于把selector前前后后的事情都搞明白了。

一个同学问我，NIO里引入channel 的是干嘛的？好像它只是对socket的一层封装，看不出来什么意义嘛。到这里，终于可以完整地回答这位同学了，channel 是与 selector 适配用的。selector 直接管理 Java Socket 很难实现，所以使用channel做一次封装与之适配。这一切都是为了 selector 而存在的。selector 是Java NIO的基石，是根本之所在。

OK，终于把NIO的核心知识讲完了，长舒一口气。

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