Java基础——Java NIO详解（二）

一、简介

在我的上一篇文章Java NIO详解（一）中介绍了关于标准输入输出NIO相关知识，本篇将重点介绍基于网络编程NIO（异步IO）。

二、异步IO

异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法。通常，在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样， write()调用将会阻塞直至数据能够写入，关于同步的IO请参考另一篇文章Java IO。

另一方面，异步 I/O 调用不但不会阻塞，相反，您可以注册对特定 I/O 事件诸如数据可读、新连接到来等等，而在发生这样感兴趣的事件时，系统将会告诉您。

异步 I/O 的一个优势在于，它允许您同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，您可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

三、Selector

在我的Java NIO详解（一）中已经详细介绍了Java NIO三个核心对象中的Buffer和Channel，现在我们就重点介绍一下第三个核心对象Selector。Selector是一个对象，它可以注册到很多个Channel上，监听各个Channel上发生的事件，并且能够根据事件情况决定Channel读写。这样，通过一个线程管理多个Channel，就可以处理大量网络连接了。

1、采用Selector模式的的好处

有了Selector，我们就可以利用一个线程来处理所有的channels。线程之间的切换对操作系统来说代价是很高的，并且每个线程也会占用一定的系统资源。所以，对系统来说使用的线程越少越好。

但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

下面这幅图展示了一个线程处理3个 Channel的情况：

2、如何创建一个Selector

异步 I/O 中的核心对象名为 Selector。Selector 就是您注册对各种 I/O 事件兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉您所发生的事件。

Selector selector = Selector.open();

然后，就需要注册Channel到Selector了。

3、如何注册Channel到Selector

为了能让Channel和Selector配合使用，我们需要把Channel注册到Selector上。通过调用 channel.register（）方法来实现注册：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key =channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

注意，注册的Channel 必须设置成异步模式才可以,，否则异步IO就无法工作，这就意味着我们不能把一个 FileChannel注册到Selector，因为FileChannel没有异步模式，但是网络编程中的 SocketChannel是可以的。
需要注意register()方法的第二个参数，它是一个 “interest set”,意思是注册的Selector对Channel中的哪些时间感兴趣，事件类型有四种：

Connect
Accept
Read
Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经 Ready(就绪)。所以，某个Channel成功连接到另一个服务器称为Connect Ready。一个ServerSocketChannel准备好接收新连接称为 Accept Ready，一个有数据可读的通道可以说是 Read Ready，等待写数据的通道可以说是Write Ready。

上面这四个事件对应到SelectionKey中的四个常量：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对多个事件感兴趣，可以通过or操作符来连接这些常量：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

四、关于SelectionKey

请注意对register()的调用的返回值是一个SelectionKey。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。SelectionKey中包含如下属性：

The interest set
The ready set
The Channel
The Selector
An attached object (optional)

Interest Set

就像我们在前面讲到的把Channel注册到Selector来监听感兴趣的事件，interest set就是你要选择的感兴趣的事件的集合。你可以通过SelectionKey对象来读写interest set：

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

通过上面例子可以看到，我们可以通过用AND 和SelectionKey 中的常量做运算，从SelectionKey中找到我们感兴趣的事件。

Ready Set

ready set 是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选Selection之后，你应该会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测Channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel 和Selector

我们可以通过SelectionKey获得Selector和注册的Channel：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

Attach 一个对象

可以将一个对象或者更多信息 attach 到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

五、通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“Read Ready”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道：

int select()：阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪
int select(long timeout)：select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)
int selectNow()：不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回，此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道处于就绪状态。

selectedKeys()

一旦调用了 select()方法，它就会返回一个数值，表示一个或多个通道已经就绪，然后你就可以通过调用 selector.selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合来获得就绪的Channel。请看演示方法：

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

当你通过Selector注册一个Channel时， channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象，这个对象就代表了你注册的Channel。这些对象可以通过 selectedKeys()方法获得。你可以通过迭代这些selected key来获得就绪的Channel，下面是演示代码：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {// a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {// a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {// a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}

这个循环遍历selected key的集合中的每个key，并对每个key做测试来判断哪个Channel已经就绪。

请注意循环中最后的keyIterator.remove()方法。Selector对象并不会从自己的selected key集合中自动移除SelectionKey实例。我们需要在处理完一个Channel的时候自己去移除。当下一次Channel就绪的时候，Selector会再次把它添加到selected key集合中。

SelectionKey.channel()方法返回的Channel需要转换成你具体要处理的类型，比如是ServerSocketChannel或者SocketChannel等等。

WakeUp（）和Close（）

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”

当用完Selector后调应道掉用close()方法，它将关闭Selector并且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

六、一个完整的例子

下面通过一个MultiPortEcho的例子来演示一下上面整个过程。

public class MultiPortEcho {private int ports[];private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {this.ports = ports;go();}private void go() throws IOException {// 1. 创建一个selector，select是NIO中的核心对象// 它用来监听各种感兴趣的IO事件Selector selector = Selector.open();// 为每个端口打开一个监听, 并把这些监听注册到selector中for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {//2. 打开一个ServerSocketChannel//其实我们没监听一个端口就需要一个channelServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞ServerSocket ss = ssc.socket();InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);ss.bind(address);//监听一个端口//3. 注册到selector//register的第一个参数永远都是selector//第二个参数是我们要监听的事件//OP_ACCEPT是新建立连接的事件//也是适用于ServerSocketChannel的唯一事件类型SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);}//4. 开始循环，我们已经注册了一些IO兴趣事件while (true) {//这个方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时// select() 方法将返回所发生的事件的数量。int num = selector.select();//返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个 集合Set selectedKeys = selector.selectedKeys();//我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件//对于每一个 SelectionKey，您必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。Iterator it = selectedKeys.iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();//5. 监听新连接。程序执行到这里，我们仅注册了 ServerSocketChannel//并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点//我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法，并检查发生了什么类型的事件if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {//6. 接收了一个新连接。因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待//所以可以安全地接受它；也就是说，不用担心 accept() 操作会阻塞ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);// 7. 讲新连接注册到selector。将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的//而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据，所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上SelectionKey newKey = sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);it.remove();System.out.println("Got connection from " + sc);} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {// Read the dataSocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();// Echo dataint bytesEchoed = 0;while (true) {echoBuffer.clear();int r = sc.read(echoBuffer);if (r <= 0) {break;}echoBuffer.flip();sc.write(echoBuffer);bytesEchoed += r;}System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);it.remove();}}// System.out.println( "going to clear" );// selectedKeys.clear();// System.out.println( "cleared" );}}static public void main(String args2[]) throws Exception {String args[]={"9001","9002","9003"};if (args.length <= 0) {System.err.println("Usage: java MultiPortEcho port [port port ...]");System.exit(1);}int ports[] = new int[args.length];for (int i = 0; i < args.length; ++i) {ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);}new MultiPortEcho(ports);}}

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