并发编程网 · 更新于 2018-11-28 11:00:43

选择器

Selector(选择器)是 Java NIO 中能够检测一到多个 NIO 通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个 channel,从而管理多个网络连接。

下面是本文所涉及到的主题列表:

  1. 为什么使用 Selector?
  2. Selector 的创建
  3. 向 Selector 注册通道
  4. SelectionKey
  5. 通过 Selector 选择通道
  6. wakeUp()
  7. close()
  8. 完整的示例

为什么使用 Selector?

仅用单个线程来处理多个 Channels 的好处是,只需要更少的线程来处理通道。事实上,可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说,线程之间上下文切换的开销很大,而且每个线程都要占用系统的一些资源(如内存)。因此,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。

下面是单线程使用一个 Selector 处理 3 个 channel 的示例图:

Selector 的创建

通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector,如下:

Selector selector = Selector.open();

向 Selector 注册通道

为了将 Channel 和 Selector 配合使用,必须将 channel 注册到 selector 上。通过 SelectableChannel.register() 方法来实现,如下:

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

与 Selector 一起使用时,Channel 必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将 FileChannel 与 Selector 一起使用,因为 FileChannel 不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意 register() 方法的第二个参数。这是一个 “interest 集合”,意思是在通过 Selector 监听 Channel 时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件:

  1. Connect
  2. Accept
  3. Read
  4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个 channel 成功连接到另一个服务器称为 “连接就绪”。一个 server socket channel 准备好接收新进入的连接称为 “接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是 “读就绪”。等待写数据的通道可以说是 “写就绪”。

这四种事件用 SelectionKey 的四个常量来表示:

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

如果你对不止一种事件感兴趣,那么可以用 “位或” 操作符将常量连接起来,如下:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

在下面还会继续提到 interest 集合

SelectionKey

在上一小节中,当向 Selector 注册 Channel 时,register() 方法会返回一个 SelectionKey 对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性:

  • interest 集合
  • ready 集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象(可选)

下面我会描述这些属性。

interest 集合

就像向 Selector 注册通道一节中所描述的,interest 集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过 SelectionKey 读写 interest 集合,像这样:

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

可以看到,用 “位与” 操作 interest 集合和给定的 SelectionKey 常量,可以确定某个确定的事件是否在 interest 集合中。

ready 集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择 (Selection) 之后,你会首先访问这个 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 + Selector

从 SelectionKey 访问 Channel 和 Selector 很简单。如下:

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

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);

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 “读就绪” 的通道感兴趣,select() 方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是 select() 方法:

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和 select() 一样,除了最长会阻塞 timeout 毫秒 (参数)。

selectNow()不会阻塞,不管什么通道就绪都立刻返回(译者注: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,只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了 select() 方法,并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了,然后可以通过调用 selector 的 selectedKeys() 方法,访问 “已选择键集(selected key set)” 中的就绪通道。如下所示:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当像 Selector 注册 Channel 时,Channel.register() 方法会返回一个 SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该 Selector 的通道。可以通过 SelectionKey 的 selectedKeySet() 方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator 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();
}

这个循环遍历已选择键集中的每个键,并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

注意每次迭代末尾的 keyIterator.remove() 调用。Selector 不会自己从已选择键集中移除 SelectionKey 实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector 会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel() 方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如 ServerSocketChannel 或 SocketChannel 等。

wakeUp()

某个线程调用 select() 方法后阻塞了,即使没有通道已经就绪,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)”。

close()

用完 Selector 后调用其 close() 方法会关闭该 Selector,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。

完整的示例

这里有一个完整的示例,打开一个 Selector,注册一个通道注册到这个 Selector 上 (通道的初始化过程略去), 然后持续监控这个 Selector 的四种事件(接受,连接,读,写)是否就绪。

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;
  Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator 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();
  }
}