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Netty 源码分析 —— NIO 基础（四）之 Selector
2020-12-08
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芋道源码
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本文共 1,058个字，预计阅读需要 4分钟。
> 转载于【芋道源码】 ## 1. 概述 Selector ， 一般称为**选择器**。它是 Java NIO 核心组件中的一个，用于轮询一个或多个 NIO Channel 的状态是否处于可读、可写。如此，一个线程就可以管理多个 Channel ，也就说可以管理多个网络连接。也因此，Selector 也被称为**多路复用器**。 那么 Selector 是如何轮询的呢？ - 首先，需要将 Channel 注册到 Selector 中，这样 Selector 才知道哪些 Channel 是它需要管理的。 - 之后，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel 。如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，进行后续的 I/O 操作。 下图是一个 Selector 管理三个 Channel 的示例：  ## 2. 优缺点 ① **优点** 使用一个线程**能够**处理多个 Channel 的优点是，只需要更少的线程来处理 Channel 。事实上，可以使用一个线程处理所有的 Channel 。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( 例如 CPU、内存 )。因此，使用的线程越少越好。 ② **缺点** 因为在一个线程中使用了多个 Channel ，因此会造成每个 Channel 处理效率的降低。 当然，Netty 在设计实现上，通过 n 个线程处理多个 Channel ，从而很好的解决了这样的缺点。其中，n 的指的是有限的线程数，默认情况下为 CPU * 2 。 ## 3. Selector 类图 Selector 在 `java.nio` 包中，被定义成**抽象类**，整体实现类图如下：  - Selector 的实现不是本文的重点，感兴趣的胖友可以看看占小狼的 [《深入浅出NIO之Selector实现原理》](https://www.jianshu.com/p/0d497fe5484a) 。 ## 3. 创建 Selector 通过 `#open()` 方法，我们可以创建一个 Selector 对象。代码如下： ``` Selector selector = Selector.open(); ``` ## 4. 注册 Chanel 到 Selector 中 为了让 Selector 能够管理 Channel ，我们需要将 Channel 注册到 Selector 中。代码如下： ``` channel.configureBlocking(false); // <1> SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); ``` - **注意**，如果一个 Channel 要注册到 Selector 中，那么该 Channel 必须是**非阻塞**，所以 `<1>` 处的 `channel.configureBlocking(false);` 代码块。也因此，FileChannel 是不能够注册到 Channel 中的，因为它是**阻塞**的。 - 在`#register(Selector selector, int interestSet)`方法的第二个参数，表示一个“interest 集合”，意思是通过 Selector 监听 Channel 时，对哪些( 可以是多个 )事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件： - Connect ：连接完成事件( TCP 连接 )，仅适用于客户端，对应 `SelectionKey.OP_CONNECT` 。 - Accept ：接受新连接事件，仅适用于服务端，对应 `SelectionKey.OP_ACCEPT` 。 - Read ：读事件，适用于两端，对应 `SelectionKey.OP_READ` ，表示 Buffer 可读。 - Write ：写时间，适用于两端，对应 `SelectionKey.OP_WRITE` ，表示 Buffer 可写。 Channel 触发了一个事件，意思是该事件已经就绪： - 一个 Client Channel 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 Channel ，可以说是“读就绪”。 - 一个等待写数据的 Channel ，可以说是“写就绪”。 ------ 因为 Selector 可以对 Channel 的**多个**事件感兴趣，所以在我们想要注册 Channel 的多个事件到 Selector 中时，可以使用**或运算** `|` 来组合多个事件。示例代码如下： ``` int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE; ``` 实际使用时，我们会有**改变** Selector 对 Channel 感兴趣的事件集合，可以通过再次调用 `#register(Selector selector, int interestSet)` 方法来进行变更。示例代码如下： ``` channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); ``` - 初始时，Selector 仅对 Channel 的 `SelectionKey.OP_READ` 事件感兴趣。 - 修改后，Selector 仅对 Channel 的 `SelectionKey.OP_READ` 和 `SelectionKey.OP_WRITE)` 事件**都**感兴趣。 ## 5. SelectionKey 类 上一小节, 当我们调用 Channel 的 `#register(...)` 方法，向 Selector 注册一个 Channel 后，会返回一个 SelectionKey 对象。那么 SelectionKey 是什么呢？SelectionKey 在 `java.nio.channels` 包下，被定义成一个**抽象类**，表示一个 Channel 和一个 Selector 的注册关系，包含如下内容： - interest set ：感兴趣的事件集合。 - ready set ：就绪的事件集合。 - Channel - Selector - attachment ：*可选的*附加对象。 ### 5.1 interest set 通过调用 `#interestOps()` 方法，返回感兴趣的事件集合。示例代码如下： ``` int interestSet = selectionKey.interestOps(); // 判断对哪些事件感兴趣 boolean isInterestedInAccept = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT != 0; boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT != 0; boolean isInterestedInRead = interestSet & SelectionKey.OP_READ != 0; boolean isInterestedInWrite = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE != 0; ``` - 其中每个事件 Key 在 SelectionKey 中枚举，通过位( bit ) 表示。代码如下： ``` // SelectionKey.java public static final int OP_READ = 1 << 0; public static final int OP_WRITE = 1 << 2; public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4; ``` - 所以，在上述示例的后半段的代码，可以通过与运算 `&` 来判断是否对指定事件感兴趣。 ### 5.2 ready set 通过调用 `#readyOps()` 方法，返回就绪的事件集合。示例代码如下： ``` int readySet = selectionKey.readyOps(); // 判断哪些事件已就绪 selectionKey.isAcceptable(); selectionKey.isConnectable(); selectionKey.isReadable(); selectionKey.isWritable(); ``` - 相比 interest set 来说，ready set 已经内置了判断事件的方法。代码如下： ``` // SelectionKey.java public final boolean isReadable() { return (readyOps() & OP_READ) != 0; } public final boolean isWritable() { return (readyOps() & OP_WRITE) != 0; } public final boolean isConnectable() { return (readyOps() & OP_CONNECT) != 0; } public final boolean isAcceptable() { return (readyOps() & OP_ACCEPT) != 0; } ``` ### 5.3 attachment 通过调用 `#attach(Object ob)` 方法，可以向 SelectionKey 添加附加对象；通过调用 `#attachment()` 方法，可以获得 SelectionKey 获得附加对象。示例代码如下： ``` selectionKey.attach(theObject); Object attachedObj = selectionKey.attachment(); ``` 又获得在注册时，直接添加附加对象。示例代码如下： ``` SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject); ``` ## 6. 通过 Selector 选择 Channel 在 Selector 中，提供三种类型的选择( select )方法，返回当前有感兴趣事件准备就绪的 Channel **数量**： ``` // Selector.java // 阻塞到至少有一个 Channel 在你注册的事件上就绪了。 public abstract int select() throws IOException; // 在 `#select()` 方法的基础上，增加超时机制。 public abstract int select(long timeout) throws IOException; // 和 `#select()` 方法不同，立即返回数量，而不阻塞。 public abstract int selectNow() throws IOException; ``` - 有一点**非常需要注意**：select 方法返回的 `int` 值，表示有多少 Channel 已经就绪。亦即，**自上次调用 select 方法后有多少 Channel 变成就绪状态**。如果调用 select 方法，因为有一个 Channel 变成就绪状态则返回了 1 ；若再次调用 select 方法，如果另一个 Channel 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 Channel ，**但在每次 select 方法调用之间，只有一个 Channel 就绪了，所以才返回 1**。 ## 7. 获取可操作的 Channel 一旦调用了 select 方法，并且返回值表明有一个或更多个 Channel 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** Channel 。示例代码所示： ``` Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); ``` - 注意，当有**新增就绪**的 Channel ，需要先调用 select 方法，才会添加到“已选择键集( selected key set )”中。否则，我们直接调用 `#selectedKeys()` 方法，是无法获得它们对应的 SelectionKey 们。 ## 8. 唤醒 Selector 选择 某个线程调用 `#select()` 方法后，发生阻塞了，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 Selector 对象上，调用该 Selector 的 `#wakeup()` 方法，进行唤醒该 Selector 即可。 - 那么，阻塞在 `#select()`方法上的线程，会立马返回。 > Selector 的 `#select(long timeout)` 方法，若未超时的情况下，也可以满足上述方式。 注意，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()` 方法的线程会立即被唤醒。😈 有点神奇。 ## 9. 关闭 Selector 当我们不再使用 Selector 时，可以调用 Selector 的 `#close()` 方法，将它进行关闭。 - Selector 相关的所有 SelectionKey 都**会失效**。 - Selector 相关的所有 Channel 并**不会关闭**。 注意，此时若有线程阻塞在 `#select()` 方法上，也会被唤醒返回。 ## 10. 简单 Selector 示例 如下是一个简单的 Selector 示例，创建一个 Selector ，并将一个 Channel注册到这个 Selector上( Channel 的初始化过程略去 )，然后持续轮询这个 Selector 的四种事件( 接受，连接，读，写 )是否就绪。代码如下： > 本代码取自 [《Java NIO系列教程（六） Selector》](http://ifeve.com/selectors/) 提供的示例，实际生产环境下并非这样的代码。🙂 最佳的实践，我们将在 Netty 中看到。 ``` // 创建 Selector Selector selector = Selector.open(); // 注册 Channel 到 Selector 中 channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); while (true) { // 通过 Selector 选择 Channel int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) { continue; } // 获得可操作的 Channel Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 遍历 SelectionKey 数组 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 } // 移除 keyIterator.remove(); // <1> } } ``` - 注意, 在每次迭代时, 我们都调用keyIterator.remove()代码块，将这个 key 从迭代器中删除。 - 因为 `#select()` 方法仅仅是简单地将就绪的 Channel 对应的 SelectionKey 放到 selected keys 集合中。 - 因此，如果我们从 selected keys 集合中，获取到一个 key ，但是没有将它删除，那么下一次 `#select` 时, 这个 SelectionKey 还在 selectedKeys 中. ## 彩蛋 参考文章如下： - [《Java NIO系列教程（六） Selector》](http://ifeve.com/selectors/) - [《Java NIO之Selector（选择器）》](https://www.cnblogs.com/snailclimb/p/9086334.html) - [《Java NIO 的前生今世 之四 NIO Selector 详解》](https://segmentfault.com/a/1190000006824196)