java nio 基础之Select 用法

桃扇骨 2023-10-17 13:34 77阅读 0赞

本文参考至[Java Nio 基础教程][Java Nio]

Select (选择器)是Java Nio中能够检测一个到多个通道，并能够知道是否为诸如读写事件做好准备的组件。

这样，一个单独的线程就可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。

**为什么需要使用Select ?**

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。

**Selector 的创建**

通过调用Selector.open()方法，创建Selector,代码如下：

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，主要通过SelectableChannel.register()方法实现，代码如下：

serverSocketChannel.configBlocking(false);//启用通道非阻塞模式。

SelectionKey key = serverSocketChannel.register(selector,SelectionKey.OP\_READ)

**Selector 监听Channel 事件类型以及SelectionKey 常量表示。**

Connect : 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” SelectionKey.OP\_CONNECT

Accept : 一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。 SelectionKey.OP\_ACCEPT

Read :一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。 SelectionKey.OP\_READ

Write :等待写数据的通道可以说是“写就绪”。 SelectionKey.OP\_WRITE

注意：如果你对不止一个事件感兴趣，可以使用“位或”操作符将常量联系起来

int interestset = SelectionKey.OP\_ACCEPT | SelectionKey.OP\_READ

**SelectionKey 对象**

当向selector 注册channel时，register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象包含以下几大属性。

1、interest 集合：intereset集合，是你选择感兴趣的事件集合。

2、ready集合：ready集合，是通道已经准备就绪的操作集合。

3、Channel:

4、Selector

interest集合：是你选择感兴趣的事件集合，通过SelectionKey.interesetOps()方法获取。代码如下：

1、int interestSet = selectionKey.interestOps();

2、boolean isInterestedInAccept = (interestSet & SelectionKey.OP\_ACCEPT) == SelectionKey.OP\_ACCEPT；

3、boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP\_CONNECT;

4、boolean isInterestedInRead = interestSet & SelectionKey.OP\_READ;

5、boolean isInterestedInWrite = interestSet & SelectionKey.OP\_WRITE;

ready集合：通道已经准备就绪的操作的集合。通过SelectionKey.readyOps()方法获取。代码如下：

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。同时，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

1、selectionKey.isAcceptable();

2、selectionKey.isConnectable();

3、selectionKey.isReadable();

4、selectionKey.isWritable();

Channel +Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。代码如下：

Channel channel = SelectionKey.channel();

Selector selector = SelectionKey.selector();

**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“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。

int select() : 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了  
int select(long timeout) : 和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（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。）  
  
**注意重点**：  
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。代码如下：

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。

示例demo:实现服务端与客户端消息传递。

package com.nio.two;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.CharBuffer;
    import java.nio.channels.ClosedChannelException;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.nio.charset.Charset;
    import java.nio.charset.CharsetDecoder;
    import java.nio.charset.CharsetEncoder;
    import java.util.Iterator;
    
    public class TCPServer {
    	private ByteBuffer readBuffer;
        private Selector selector;
        
        //编码器初始化
        private static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("utf-8").newEncoder();
        private static CharsetDecoder decoder = Charset.forName("utf-8").newDecoder();
        //初始化方法
        private void init(){
            readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            ServerSocketChannel servSocketChannel;
             
            try {
                servSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                servSocketChannel.configureBlocking(false);
                //绑定端口
                servSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8383));
                 //Select 创建
                selector = Selector.open();
                //向Selector 注册通道（用户监控单一事件）
                servSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                //向Selector 注册通道（用户监控多个事件）
    //            int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_ACCEPT | SelectionKey.OP_CONNECT;
    //            servSocketChannel.register(selector, interestSet);
    //            servSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }      
        }
        //监听器
        private void listen() {
            while(true){
                try{
                    selector.select();             
                    Iterator ite = selector.selectedKeys().iterator();
                     
                    while(ite.hasNext()){
                        SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();                  
                        ite.remove();//确保不重复处理
                         
                        handleKey(key);
                    }
                }
                catch(Throwable t){
                    t.printStackTrace();
                }                          
            }              
        }
        //处理方法
        private void handleKey(SelectionKey key)
                throws IOException, ClosedChannelException {
            SocketChannel channel = null;
             
            try{
                if(key.isAcceptable()){
                    ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    channel = serverChannel.accept();//接受连接请求
                    channel.configureBlocking(false);
                    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                else if(key.isReadable()){
                    channel = (SocketChannel) key.channel();
                    readBuffer.clear();
                    /*当客户端channel关闭后，会不断收到read事件，但没有消息，即read方法返回-1
                     * 所以这时服务器端也需要关闭channel，避免无限无效的处理*/              
                    int count = channel.read(readBuffer);
                     
                    if(count > 0){
                        //一定需要调用flip函数，否则读取错误数据
                        readBuffer.flip();
                        /*使用CharBuffer配合取出正确的数据
                        String question = new String(readBuffer.array());  
                        可能会出错，因为前面readBuffer.clear();并未真正清理数据
                        只是重置缓冲区的position, limit, mark，
                        而readBuffer.array()会返回整个缓冲区的内容。
                        decode方法只取readBuffer的position到limit数据。
                        例如，上一次读取到缓冲区的是"where", clear后position为0，limit为 1024，
                        再次读取“bye"到缓冲区后，position为3，limit不变，
                        flip后position为0，limit为3，前三个字符被覆盖了，但"re"还存在缓冲区中，
                        所以 new String(readBuffer.array()) 返回 "byere",
                        而decode(readBuffer)返回"bye"。            
                        */
                        CharBuffer charBuffer = decoder.decode(readBuffer); 
                        String question = charBuffer.toString(); 
                        System.out.println("receiver client message:"+question);
                        String answer = "the message come from this server";
                        channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(answer)));
                    }
                    else{
                        //这里关闭channel，因为客户端已经关闭channel或者异常了
                        channel.close();               
                    }                      
                }else if(key.isWritable()){
                	  channel = (SocketChannel) key.channel();
                	            	 
                	  String answer = "the message2 come from this server2";
                      channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(answer)));
                }else if(key.isConnectable()){
                	 ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                     channel = serverChannel.accept();//接受连接请求
                     channel.configureBlocking(false);
                     channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
                }
            }
            catch(Throwable t){
                t.printStackTrace();
                if(channel != null){
                    channel.close();
                }
            }      
        }
    	public static void main(String[] args) {
    		// TODO Auto-generated method stub
    		TCPServer server = new TCPServer();
    		server.init();
    		server.listen();
    	}
    
    }

小项目实战：基于java nio 实现简单聊天功能。

package com.nio.chart;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.Channel;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.nio.charset.Charset;
    import java.util.HashSet;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class ChatRoomServer {
    	private Selector selector = null;
    	static final int port = 9999;
    	private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
    	// 用来记录在线人数，以及昵称
    	private static HashSet<String> users = new HashSet<String>();
    
    	private static String USER_EXIST = "system message: user exist, please change a name";
    	// 相当于自定义协议格式，与客户端协商好
    	private static String USER_CONTENT_SPILIT = "#@#";
    
    	private static boolean flag = false;
    
    	public void init() throws IOException {
    		selector = Selector.open();
    		ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
    		server.bind(new InetSocketAddress(port));
    		// 非阻塞的方式
    		server.configureBlocking(false);
    		// 注册到选择器上，设置为监听状态
    		server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
    		System.out.println("Server is listening now...");
    
    		while (true) {
    			int readyChannels = selector.select();
    			if (readyChannels == 0)
    				continue;
    			Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 可以通过这个方法，知道可用通道的集合
    			Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
    			while (keyIterator.hasNext()) {
    				SelectionKey sk = (SelectionKey) keyIterator.next();
    				keyIterator.remove();
    				dealWithSelectionKey(server, sk);
    			}
    		}
    	}
    
    	public void dealWithSelectionKey(ServerSocketChannel server, SelectionKey sk) throws IOException {
    		if (sk.isAcceptable()) {
    			SocketChannel sc = server.accept();
    			// 非阻塞模式
    			sc.configureBlocking(false);
    			// 注册选择器，并设置为读取模式，收到一个连接请求，然后起一个SocketChannel，并注册到selector上，之后这个连接的数据，就由这个SocketChannel处理
    			sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    
    			// 将此对应的channel设置为准备接受其他客户端请求
    			sk.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
    			System.out.println("Server is listening from client :" + sc.getRemoteAddress());
    			sc.write(charset.encode("Please input your name."));
    		}
    		// 处理来自客户端的数据读取请求
    		if (sk.isReadable()) {
    			// 返回该SelectionKey对应的 Channel，其中有数据需要读取
    			SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
    			ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
    			StringBuilder content = new StringBuilder();
    			try {
    				while (sc.read(buff) > 0) {
    					buff.flip();
    					content.append(charset.decode(buff));
    
    				}
    				System.out.println(
    						"Server is listening from client " + sc.getRemoteAddress() + " data rev is: " + content);
    				// 将此对应的channel设置为准备下一次接受数据
    				sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    			} catch (IOException io) {
    				sk.cancel();
    				if (sk.channel() != null) {
    					sk.channel().close();
    				}
    			}
    			if (content.length() > 0) {
    				String[] arrayContent = content.toString().split(USER_CONTENT_SPILIT);
    				// 注册用户
    				if (arrayContent != null && arrayContent.length == 1) {
    					String name = arrayContent[0];
    					if (users.contains(name)) {
    						sc.write(charset.encode(USER_EXIST));
    
    					} else {
    						users.add(name);
    						int num = OnlineNum(selector);
    						String message = "welcome " + name + " to chat room! Online numbers:" + num;
    						BroadCast(selector, null, message);
    					}
    				}
    				// 注册完了，发送消息
    				else if (arrayContent != null && arrayContent.length > 1) {
    					String name = arrayContent[0];
    					String message = content.substring(name.length() + USER_CONTENT_SPILIT.length());
    					message = name + " say " + message;
    					if (users.contains(name)) {
    						// 不回发给发送此内容的客户端
    						BroadCast(selector, sc, message);
    					}
    				}
    			}
    
    		}
    	}
    
    	// TODO 要是能检测下线，就不用这么统计了
    	public static int OnlineNum(Selector selector) {
    		int res = 0;
    		for (SelectionKey key : selector.keys()) {
    			Channel targetchannel = key.channel();
    
    			if (targetchannel instanceof SocketChannel) {
    				res++;
    			}
    		}
    		return res;
    	}
    
    	public void BroadCast(Selector selector, SocketChannel except, String content) throws IOException {
    		// 广播数据到所有的SocketChannel中
    		for (SelectionKey key : selector.keys()) {
    			Channel targetchannel = key.channel();
    			// 如果except不为空，不回发给发送此内容的客户端
    			if (targetchannel instanceof SocketChannel && targetchannel != except) {
    				SocketChannel dest = (SocketChannel) targetchannel;
    				dest.write(charset.encode(content));
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws IOException {
    		new ChatRoomServer().init();
    	}
    
    }

package com.nio.chart;
    
    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.SocketChannel;
    import java.nio.charset.Charset;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Scanner;
    import java.util.Set;
    
    
    public class ChatRoomClient {
    
        private Selector selector = null;
        static final int port = 9999;
        private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
        private SocketChannel sc = null;
        private String name = "";
        private static String USER_EXIST = "system message: user exist, please change a name";
        private static String USER_CONTENT_SPILIT = "#@#";
        
        public void init() throws IOException
        {
            selector = Selector.open();
            //连接远程主机的IP和端口
            sc = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",port));
            sc.configureBlocking(false);
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            //开辟一个新线程来读取从服务器端的数据
            new Thread(new ClientThread()).start();
            //在主线程中 从键盘读取数据输入到服务器端
            Scanner scan = new Scanner(System.in);
            while(scan.hasNextLine())
            {
                String line = scan.nextLine();
                if("".equals(line)) continue; //不允许发空消息
                if("".equals(name)) {
                    name = line;
                    line = name+USER_CONTENT_SPILIT;
                } else {
                    line = name+USER_CONTENT_SPILIT+line;
                }
                sc.write(charset.encode(line));//sc既能写也能读，这边是写
            }
            
        }
        private class ClientThread implements Runnable
        {
            public void run()
            {
                try
                {
                    while(true) {
                        int readyChannels = selector.select();
                        if(readyChannels == 0) continue; 
                        Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  //可以通过这个方法，知道可用通道的集合
                        Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
                        while(keyIterator.hasNext()) {
                             SelectionKey sk = (SelectionKey) keyIterator.next();
                             keyIterator.remove();
                             dealWithSelectionKey(sk);
                        }
                    }
                }
                catch (IOException io)
                {}
            }
    
            private void dealWithSelectionKey(SelectionKey sk) throws IOException {
                if(sk.isReadable())
                {
                    //使用 NIO 读取 Channel中的数据，这个和全局变量sc是一样的，因为只注册了一个SocketChannel
                    //sc既能写也能读，这边是读
                    SocketChannel sc = (SocketChannel)sk.channel();
                    
                    ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
                    String content = "";
                    while(sc.read(buff) > 0)
                    {
                        buff.flip();
                        content += charset.decode(buff);
                    }
                    //若系统发送通知名字已经存在，则需要换个昵称
                    if(USER_EXIST.equals(content)) {
                        name = "";
                    }
                    System.out.println(content);
                    sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                }
            }
        }
        
        
        
        public static void main(String[] args) throws IOException
        {
            new ChatRoomClient().init();
        }
    }

[Java Nio]: http://ifeve.com/java-nio-vs-io/