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Netty

精尽 Netty 源码分析 —— NIO 基础（四）之 Selector

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：

Selector <=> ChannelSelector <=> Channel

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 类图Selector 类图

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：

老艿艿：本代码取自 《Java NIO系列教程（六） Selector》 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.

666. 彩蛋

参考文章如下：

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