java nio 基础之Select 用法
虾米姐
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2021-03-31 21:15:25
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本文参考至Java Nio 基础教程
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();
}
}
package com.nio.two;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
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 TCPClient {
//编码器初始化
private static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("utf-8").newEncoder();
private static CharsetDecoder decoder = Charset.forName("utf-8").newDecoder();
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
SocketChannel channel = null;
Selector selector = null;
try {
channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false);
//请求连接
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8383));
selector = Selector.open();
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
boolean isOver = false;
while(! isOver){
selector.select();
Iterator ite = selector.selectedKeys().iterator();
while(ite.hasNext()){
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
ite.remove();
if(key.isConnectable()){
if(channel.isConnectionPending()){
if(channel.finishConnect()){
//只有当连接成功后才能注册OP_READ事件
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello,Server!I come from Client")));
}
else{
key.cancel();
}
}
}
else if(key.isReadable()){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
channel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
CharBuffer charBuffer = decoder.decode(byteBuffer);
String answer = charBuffer.toString();
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "---" + answer);
String word = "I have receiver message come from remote server";
if(word != null){
channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(word)));
}
else{
isOver = true;
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
finally{
if(channel != null){
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(selector != null){
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
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();
}
}
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