Java NIO 詳解（二）

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Java NIO 詳解（二）

本章重點介紹基於網絡編程的NIO

1. 異步IO

異步 I/O 是一種沒有阻塞地讀寫數據的方法。通常，在代碼進行 read() 調用時，代碼會阻塞直至有可供讀取的數據。同樣， write()調用將會阻塞直至數據能夠寫入，關於同步的IO請參考另一篇文章Java IO。

另一方面，異步 I/O 調用不但不會阻塞，相反，您可以註冊對特定 I/O 事件諸如數據可讀、新連接到來等等，而在發生這樣感興趣的事件時，系統將會告訴您。

異步 I/O 的一個優勢在於，它允許您同時根據大量的輸入和輸出執行 I/O。同步程序常常要求助於輪詢，或者創建許許多多的線程以處理大量的連接。使用異步 I/O，您可以監聽任何數量的通道上的事件，不用輪詢，也不用額外的線程。

2. Selector

在我的JavaNIO詳解（一）中已經詳細介紹了Java NIO三個核心對象中的Buffer和Channel，現在我們就重點介紹一下第三個核心對象Selector。

Selector是一個對象，它可以註冊到很多個Channel上，監聽各個Channel上發生的事件，並且能夠根據事件情況決定Channel讀寫。這樣，通過一個線程管理多個Channel，就可以處理大量網絡連接了。

2.1 採用Selector模式的好處

有了Selector，我們就可以利用一個線程來處理所有的channels。線程之間的切換對操作系統來說代價是很高的，並且每個線程也會佔用一定的系統資源。所以，對系統來說使用的線程越少越好。

但是，需要記住，現代的操作系統和CPU在多任務方面表現的越來越好，所以多線程的開銷隨着時間的推移，變得越來越小了。實際上，如果一個CPU有多個內核，不使用多任務可能是在浪費CPU能力。不管怎麼說，關於那種設計的討論應該放在另一篇不同的文章中。在這裏，只要知道使用Selector能夠處理多個通道就足夠了。

下面這幅圖展示了一個線程處理3個 Channel的情況：

2.2 如何創建一個Selector

異步 I/O 中的核心對象名爲 Selector。Selector 就是您註冊對各種 I/O 事件興趣的地方，而且當那些事件發生時，就是這個對象告訴您所發生的事件。

Selector selector = Selector.open();

然後，就需要註冊Channel到Selector了。

2.3 註冊Channel到Selector

爲了能讓Channel和Selector配合使用，我們需要把Channel註冊到Selector上。通過調用 channel.register（）方法來實現註冊：

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

注意，註冊的Channel 必須設置成異步模式 纔可以,否則異步IO就無法工作，這就意味着我們不能把一個FileChannel註冊到Selector，因爲FileChannel沒有異步模式，但是網絡編程中的SocketChannel是可以的。

需要注意register()方法的第二個參數，它是一個“interest set”,意思是註冊的Selector對Channel中的哪些時間感興趣，事件類型有四種：

Connect
Accept
Read
Write

通道觸發了一個事件意思是該事件已經 Ready(就緒)。所以，某個Channel成功連接到另一個服務器稱爲 Connect Ready。一個ServerSocketChannel準備好接收新連接稱爲 Accept Ready，一個有數據可讀的通道可以說是 Read Ready，等待寫數據的通道可以說是Write Ready。

上面這四個事件對應到SelectionKey中的四個常量：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

如果你對多個事件感興趣，可以通過or操作符來連接這些常量：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

2.4 關於SelectionKey

請注意對register()的調用的返回值是一個SelectionKey。 SelectionKey 代表這個通道在此 Selector 上註冊。當某個 Selector 通知您某個傳入事件時，它是通過提供對應於該事件的 SelectionKey 來進行的。SelectionKey 還可以用於取消通道的註冊。SelectionKey中包含如下屬性：

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

2.5 Interest Set

就像我們在前面講到的把Channel註冊到Selector來監聽感興趣的事件，interest set就是你要選擇的感興趣的事件的集合。你可以通過SelectionKey對象來讀寫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;

通過上面例子可以看到，我們可以通過用AND 和SelectionKey 中的常量做運算，從SelectionKey中找到我們感興趣的事件。

2.6 Ready Set

ready set 是通道已經準備就緒的操作的集合。在一次選Selection之後，你應該會首先訪問這個ready set。Selection將在下一小節進行解釋。可以這樣訪問ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像檢測interest集合那樣的方法，來檢測Channel中什麼事件或操作已經就緒。但是，也可以使用以下四個方法，它們都會返回一個布爾類型：

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

3. Channel 和 Selector

我們可以通過SelectionKey獲得Selector和註冊的Channel：

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

3.1 Attach一個對象

可以將一個對象或者更多信息attach 到SelectionKey上，這樣就能方便的識別某個給定的通道。例如，可以附加與通道一起使用的Buffer，或是包含聚集數據的某個對象。使用方法如下：

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

還可以在用register()方法向Selector註冊Channel的時候附加對象。如：

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

3.2 通過Selector選擇通道

一旦向Selector註冊了一或多個通道，就可以調用幾個重載的select()方法。這些方法返回你所感興趣的事件（如連接、接受、讀或寫）已經準備就緒的那些通道。換句話說，如果你對“Read Ready”的通道感興趣，select()方法會返回讀事件已經就緒的那些通道：

int select()：阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒
int select(long timeout)：select()一樣，除了最長會阻塞timeout毫秒(參數)
int selectNow()：不會阻塞，不管什麼通道就緒都立刻返回，此方法執行非阻塞的選擇操作。如果自從前一次選擇操作後，沒有通道變成可選擇的，則此方法直接返回零。

select()方法返回的int值表示有多少通道已經就緒。亦即，自上次調用select()方法後有多少通道變成就緒狀態。如果調用select()方法，因爲有一個通道變成就緒狀態，返回了1，若再次調用select()方法，如果另一個通道就緒了，它會再次返回1。如果對第一個就緒的channel沒有做任何操作，現在就有兩個就緒的通道，但在每次select()方法調用之間，只有一個通道處於就緒狀態。

上面這段話的意思是不是說，select()返回的int值只能是 1 ？

3.3 SelectedKeys()

一旦調用了select()方法，它就會返回一個數值，表示一個或多個通道已經就緒，然後你就可以通過調用selector.selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合來獲得就緒的Channel。請看演示方法：

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

當你通過Selector註冊一個Channel時，channel.register()方法會返回一個SelectionKey對象，這個對象就代表了你註冊的Channel。這些對象可以通過selectedKeys()方法獲得。你可以通過迭代這些selected key來獲得就緒的Channel，下面是演示代碼：

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();
}

這個循環遍歷selected key的集合中的每個key，並對每個key做測試來判斷哪個Channel已經就緒。

請注意循環中最後的keyIterator.remove()方法。Selector對象並不會從自己的selected key集合中自動移除SelectionKey實例。我們需要在處理完一個Channel的時候自己去移除。當下一次Channel就緒的時候，Selector會再次把它添加到selected key集合中。

SelectionKey.channel()方法返回的Channel需要轉換成你具體要處理的類型，比如是ServerSocketChannel或者SocketChannel等等。

3.4 WakeUp()和Close()

某個線程調用select()方法後阻塞了，即使沒有通道就緒，也有辦法讓其從select()方法返回。只要讓其它線程在第一個線程調用select()方法的那個對象上調用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的線程會立馬返回。

如果有其它線程調用了wakeup()方法，但當前沒有線程阻塞在select()方法上，下個調用select()方法的線程會立即“醒來（wake up）”

當用完Selector後調應道掉用close()方法，它將關閉Selector並且使註冊到該Selector上的所有SelectionKey實例無效。通道本身並不會關閉。

4. 一個完整的例子

下面通過一個MultiPortEcho的例子來演示一下上面整個過程。

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. 創建一個selector，select是NIO中的核心對象
      // 它用來監聽各種感興趣的IO事件
      Selector selector = Selector.open();
      // 爲每個端口打開一個監聽, 並把這些監聽註冊到selector中
      for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
           //2. 打開一個ServerSocketChannel
           //其實我們沒監聽一個端口就需要一個channel
           ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
           ssc.configureBlocking(false);//設置爲非阻塞
           ServerSocket ss = ssc.socket();
           InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
           ss.bind(address);//監聽一個端口
           //3. 註冊到selector
           //register的第一個參數永遠都是selector
           //第二個參數是我們要監聽的事件
           //OP_ACCEPT是新建立連接的事件
           //也是適用於ServerSocketChannel的唯一事件類型
           SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
           System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
      }
      //4. 開始循環，我們已經註冊了一些IO興趣事件
      while (true) {
           //這個方法會阻塞，直到至少有一個已註冊的事件發生。當一個或者更多的事件發生時
           // select() 方法將返回所發生的事件的數量。
           int num = selector.select();
           //返回發生了事件的 SelectionKey 對象的一個 集合
           Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
           //我們通過迭代 SelectionKeys 並依次處理每個 SelectionKey 來處理事件
           //對於每一個 SelectionKey，您必須確定發生的是什麼 I/O 事件，以及這個事件影響哪些 I/O 對象。
           Iterator it = selectedKeys.iterator();
           while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
                //5. 監聽新連接。程序執行到這裏，我們僅註冊了 ServerSocketChannel
                //並且僅註冊它們“接收”事件。爲確認這一點
                //我們對 SelectionKey 調用 readyOps() 方法，並檢查發生了什麼類型的事件
                if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
                     //6. 接收了一個新連接。因爲我們知道這個服務器套接字上有一個傳入連接在等待
                     //所以可以安全地接受它；也就是說，不用擔心 accept() 操作會阻塞
                     ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                     SocketChannel sc = ssc.accept();
                     sc.configureBlocking(false);
                     // 7. 講新連接註冊到selector。將新連接的 SocketChannel 配置爲非阻塞的
                     //而且由於接受這個連接的目的是爲了讀取來自套接字的數據，所以我們還必須將 SocketChannel 註冊到 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 data
                     SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                     // Echo data
                     int 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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Java NIO 詳解（二）

1. 異步IO

2. Selector

2.1 採用Selector模式的好處

2.2 如何創建一個Selector

2.3 註冊Channel到Selector

2.4 關於SelectionKey

2.5 Interest Set

2.6 Ready Set

3. Channel 和 Selector

3.1 Attach一個對象

3.2 通過Selector選擇通道

3.3 SelectedKeys()

3.4 WakeUp()和Close()

4. 一個完整的例子

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