NIO入门之多路复用选择器Selector

• 2020 年 7 月 22 日
• 筆記
• NIO, SelectableChannel, SelectionKey, Selector多路复用

简介

Selector 是 java.nio.channels 包下的重要组件，阅读本文可以带你了解常用的 API。本文中把 Channel 翻译成信道，按照个人习惯也可以称作是通道、管道。
Selector 的核心组件有 SelectableChannel、Selector、SelectionKey。

多路复用选择器更多的是用在 Java 网络编程，网络编程的常用到就是 UDP / TCP 。SelectableChannel 的子类如下：

• 抽象类 SelectableChannel，它可以通过 Selector 多路复用。要使用多路复用功能，首先要注册。SelectableChannel 通过 register(Selector, int) 方法注册到 Selector 中，并返回 SelectionKey 作为注册代表。
• 抽象类 AbstractSelectableChannel ，它实现了 configureBlocking() 和 register() 方法，分别用于设置阻塞模式和注册事件
• 抽象类 DatagramChannel 提供 UDP 信道服务。
• 抽象类 ServerSocketChannel 提供 TCP 信道服务。主要用于服务器端
• 抽象类 SocketChannel 代表连接服务端与客户端的信道。通过 ServerSocketChannel.accept() 获得。当服务端接收到一个来自客户端的连接时就会产生一个信道。

各信道支持的事件

通过 AbstractSelectableChannel#validOps() 方法，可以返回一个操作集合（类型是 int）。这个集合表示该信道支持的操作。int 的每一个 bit 位代表信道是否支持某类操作。
同一个 SelectableChannel 的完全实现类的 validOps 方法总是返回固定的值。

• 目前 Selector 支持的事件类型是 4 种，分别是 SelectionKey.OP_ACCEPT、SelectionKey.OP_CONNECT、SelectionKey.OP_WRITE、SelectionKey.OP_READ，分别表示接受连接，主动连接，写，读

注册事件及异常

AbstractSelectableChannel#register 方法可以注册指定事件到 Selector 中，并且还会保存注册成功后返回的 SelectionKey。

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
{
      synchronized (regLock) {
            if (!isOpen())
                  throw new ClosedChannelException();
            if ((ops & ~validOps()) != 0)
                  throw new IllegalArgumentException();
            if (blocking)
                  throw new IllegalBlockingModeException();
            // 从数组 SelectionKey[] 寻找选择器 sel 对应的 SelectionKey
            SelectionKey k = findKey(sel);
            if (k != null) {
                  k.interestOps(ops);
                  k.attach(att);
            }
            if (k == null) {
                  // 新注册一个 SelectionKey
                  synchronized (keyLock) {
                        if (!isOpen())
                              throw new ClosedChannelException();
			// Selector 注册当前信道，并返回 SelectionKey
			k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
			// 将 SelectionKey 保存到数组中
			addKey(k);
                  }
            }
            return k;
      }
}

从这段源码中，我们还会留意到我们写代码常常会出现的几个异常：

• 如果我们向 SelectableChannel 实例对象注册它不支持的事件，抛出 IllegalArgumentException
• 我们注册事件前，没有调用 configureBlocking(false) 设置非阻塞，抛出 IllegalBlockingModeException
  以上这两个是首次运用 Selector 时最常碰到的异常，另外还有一些其他的异常，比如
• 关闭 SelectorChannel 后，注册事件，抛出 ClosedChannelException

@Test(expected = ClosedChannelException.class)
public void ClosedChannelException() throws IOException {
    DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    channel.configureBlocking(false);
    channel.close();
    channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}

• 关闭 Selector 后，注册事件，抛出 ClosedSelectorException

@Test(expected = ClosedSelectorException.class)
public void ClosedSelectorException() throws IOException {
    DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    channel.configureBlocking(false);
    Selector selector = Selector.open();
    selector.close();
    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}

• 取消 SelectionKey 后，注册事件，抛出 CancelledKeyException

@Test(expected = CancelledKeyException.class)
public void CancelledKeyException() throws IOException {
    DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    Selector selector = Selector.open();
    channel.configureBlocking(false);
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    key.cancel();
    // selector.selectNow(); // 如果刷新一下就不会抛出异常
    channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}

通过 SelectableChannel#register 的注册方法，可以形成以下关系：

• 先看标识“五角星”的 AbstractSelectableChannel，包含一个可扩容的 SelectionKey 数组，通过数组元素对应多个不同的 Selector
• 再看标识“三角形”的 SelectionKey，通过这个对象，可以找到注册时对应的 selector 和 channel
• 然后看标识“五角星”的 Selector，包含一个 HashSet<SelectionKey>，通过集合保存与多个 SelectableChannel 的对应关系
• 总而言之，SelectableChannel 和 Selector 通过 SelectionKey 形成了多对多的关系

Selector 操作状态说明

下图是常见的 Selector 操作及其键集的变化示意图：

• keys 键集，保存所有注册的 SelectionKey 的集合。
• selectedKeys 就绪键集，保存所有准备就绪的键，通过 select 方法增加
• cancelledKeys 取消键集，保存所有已取消的键，通过 select 方法，可以从 keys 中清除所有取消键，同时清空取消键集。

总结

Selector、SelectableChannel、SelectionKey 是 Java NIO 多路复用中的核心组件。
多路复用技术主要用于网络编程，SelectableChannel 其主要实现包含 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。

• Selecter 是 SelectableChannel 在设置非阻塞情况下使用的多路复用选择器。
• SelectableChannel 支持注册事件的信道。
• SelectionKey 是注册事件后，建立 Selector 与 SelectableChannel 之间关系的桥梁。