Java NIO - Channel与Selector-原创手记-慕课网

Java NIO有三个核心的组件：Buffer、Channel和Selector。

在上一篇文章中，我们已经介绍了Buffer，这篇文章主要介绍剩下两个组件：Channel和Selector。

Selector与Channel的关系

Channel

Channel翻译过来是“通道”的意思，所有的Java NIO都要经过Channel。一个Channel对象其实就对应了一个IO连接。Java NIO中主要有以下Channel实现：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

分别用于处理文件IO、UDP、TCP客户端、TCP服务端。

这里以ServerSocketChannel和SocketChannel为例，介绍一些常用的方法。

// server:
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
int readBytes = socketChannel.read(buffer);
if (readBytes > 0) {
    buffer.flip();
    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    buffer.get(bytes);
    String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("server 收到：" + body);
}

对于服务端来说，先用open方法创建一个对象，然后使用bind方法绑定端口。

绑定以后，使用accept方法等待新的连接进来，这个方法是阻塞的。一旦有了新的连接，才会解除阻塞。再次调用可以阻塞等待下一个连接。

与Buffer配合，使用read方法可以把数据从Channel读到Buffer里面，然后做后续处理。

// Client:
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
buffer.put("hi, 这是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);

对于客户端来说，有一些微小的区别。客户端不需要bind监听端口，而是直接connect去尝试连接服务端。

同样与Buffer配合，Channel使用write方法可以把数据从Buffer写到Channel里，然后后续就可以做网络传输了。

Selector

Selector翻译过来叫做“选择器”，Selector允许一个线程处理多个Channel。Selector的应用场景是：如果你的应用打开了多个连接（Channel），但每个连接的流量都很低。比如：聊天服务器或者HTTP服务器。

使用Selector很简单。使用open方法创建一个Selector对象，然后把Channel注册到Selector上。

// 创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();

// 把一个Channel注册到Selector
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

需要注意的是，一定要使用configureBlocking(false)把Channel设置成非阻塞模式，否则会抛出IllegalBlockingModeException异常。

Channel的register有两个重载方法：

SelectionKey register(Selector sel, int ops) {
    return register(sel, ops, null);
}
SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);

对于ops参数，即selector要关心这个Channel的事件类型，在SelectionKey类里面有这样几个常量：

OP_READ 可以从Channel读数据
OP_WRITE 可以写数据到Channel
OP_CONNECT 连接上了服务器
OP_ACCEPT 有新的连接进来了

如果你对不止一种事件感兴趣，使用或运算符即可，如下：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

需要注意的是，FileChannel只有阻塞模式，不支持非阻塞模式，所以它是没有register方法的！

第三个参数att是attachment的缩写，代表可以传一个“附件”进去。在返回的SelectionKey对象里面，可以获取以下对象：

channel()：获取Channel
selector()：获取Selector
attachment()：获取附件
attach(obj)：更新附件

除此之外，还有一些判断当前状态的方法：

isReadable()
isWritable()
isConnectable()
isAcceptable()

一般来说，我们很少直接使用单个的SelectionKey，而是从Selector里面轮询所有的SelectionKey，比如：

 while (selector.select() > 0) {
     Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
     while(keyIterator.hasNext()) {
         SelectionKey key = keyIterator.next();
         if (key.isReadable()) {
             SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
             // read
         } else if(key.isAcceptable()) {
             // accept
         }
         // 其它条件
         keyIterator.remove();
     }
 }

Selector可以返回两种SelectionKey集合：

keys()：已注册的键的集合
selectedKeys()：已选择的键的集合

并不是所有注册过的键都仍然有效，有些可能已经被cancel()方法被调用过的键。所以一般来说，我们轮询selectedKeys()方法。

完整的示例代码

以下是一个完整的Server-Client Demo：

Server：

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                Selector selector = Selector.open();
        ) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            System.out.println("server 启动...");
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (selector.select() > 0) {
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while(keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
                    if (key.isReadable()) {
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        int readBytes = socketChannel.read(buffer);
                        if (readBytes > 0) {
                            buffer.flip();
                            byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                            buffer.get(bytes);
                            String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
                            System.out.println("server 收到：" + body);
                        }
                    } else if(key.isAcceptable()) {
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Client：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        ) {
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            System.out.println("client 启动...");

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
            buffer.put("hi, 这是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}