NIO核心之選擇器(Selector)與NIO網路通訊原理

阿新 • • 發佈：2021-06-22

選擇器(Selector)

選擇器（Selector）是 SelectableChannle 物件的多路複用器，Selector 可以同時監控多個 SelectableChannel 的 IO 狀況，也就是說，利用 Selector可使一個單獨的執行緒管理多個 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。

Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一個執行緒，處理多個的客戶端連線，就會使用到 Selector(選擇器)
Selector 能夠檢測多個註冊的通道上是否有事件發生(注意:多個 Channel 以事件的方式可以註冊到同一個Selector，如果有事件發生，便獲取事件然後針對每個事件進行相應的處理。這樣就可以只用一個單執行緒去管理多個通道，也就是管理多個連線和請求。
只有在連線/通道真正有讀寫事件發生時，才會進行讀寫，就大大地減少了系統開銷，並且不必為每個連線都建立一個執行緒，不用去維護多個執行緒
避免了多執行緒之間的上下文切換導致的開銷
選擇器（Selector）的應用

建立 Selector ：通過呼叫 Selector.open() 方法建立一個 Selector。

Selector selector = Selector.open();

　　　向選擇器註冊通道：SelectableChannel.register(Selector sel, int ops)

//1. 獲取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
 
//2. 切換非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);
//3. 繫結連線
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
//4. 獲取選擇器
Selector selector = Selector.open();
//5. 將通道註冊到選擇器上, 並且指定“監聽接收事件”
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

當呼叫 register(Selector sel, int ops) 將通道註冊選擇器時，選擇器對通道的監聽事件，需要通過第二個引數 ops 指定。可以監聽的事件型別（用可使用 SelectionKey 的四個常量表示）：

讀 : SelectionKey.OP_READ （1）
寫 : SelectionKey.OP_WRITE （4）
連線 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）
接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

若註冊時不止監聽一個事件，則可以使用“位或”操作符連線。

int interestSet = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE

NIO網路通訊原理

Selector 示意圖和特點說明

Selector可以實現：一個 I/O 執行緒可以併發處理 N 個客戶端連線和讀寫操作，這從根本上解決了傳統同步阻塞 I/O 一連線一執行緒模型，架構的效能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。

服務端流程

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("----服務端啟動---");
        // 1、獲取通道
        ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 2、切換為非阻塞模式
        ssChannel.configureBlocking(false);
        // 3、繫結連線的埠
        ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        // 4、獲取選擇器Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 5、將通道都註冊到選擇器上去，並且開始指定監聽接收事件
        ssChannel.register(selector , SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 6、使用Selector選擇器輪詢已經就緒好的事件
        while (selector.select() > 0){
            System.out.println("開始新一輪事件處理");
            // 7、獲取選擇器中的所有註冊的通道中已經就緒好的事件 迭代器的方式獲得:selectedKeys獲取當前選擇器輪詢到的所有事件 iterator()迭代器
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            // 8、開始遍歷這些準備好的事件 如果有下一個 就提取
            while (it.hasNext()){
                // 提取當前這個事件
                SelectionKey sk = it.next();
                // 9、判斷這個事件具體是什麼 是接入事件？是 則接入客戶端通道
                if(sk.isAcceptable()){
                    // 10、直接獲取當前接入的客戶端通道
                    SocketChannel schannel = ssChannel.accept();
                    // 11 、切換成非阻塞模式
                    schannel.configureBlocking(false);
                    // 12、將本客戶端通道註冊到選擇器 進行讀的監聽（客戶端寫過來 服務端負責讀）
                    schannel.register(selector , SelectionKey.OP_READ);
                    //如果是讀事件
                }else if(sk.isReadable()){
                    // 13、獲取當前選擇器上的讀就緒事件  先獲得通道 獲得客戶端連線 有通道則說明有資料過來
                    SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel();
                    // 14、設定buffer讀取資料
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len = 0;
                    //迴圈讀取通道中的緩衝區 >0 還有資料未讀 迴圈讀完
                    while((len = sChannel.read(buf)) > 0){
                        buf.flip();//歸位
                        System.out.println(new String(buf.array() , 0, len));
                        buf.clear();// 清除之前的資料
                    }
                }
                it.remove(); // 處理完畢之後需要移除當前事件
            }
        }
    }
}

客戶端流程

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、獲取通道
        SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        // 2、切換成非阻塞模式
        sChannel.configureBlocking(false);
        // 3、分配指定緩衝區大小
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 4、傳送資料給服務端
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true){
            System.out.println("請說：");
            String msg = sc.nextLine();
            buf.put(("theone："+msg).getBytes());
            buf.flip();
            sChannel.write(buf);
            buf.clear();
        }
    }
}

總結：

BIO、NIO：

Java BIO ：同步並阻塞，伺服器實現模式為一個連線一個執行緒，即客戶端有連線請求時伺服器端就需要啟動一個執行緒進行處理，如果這個連線不做任何事情會造成不必要的執行緒開銷，當然可以通過執行緒池機制改善。
Java NIO ：同步非阻塞，伺服器實現模式為一個請求一個執行緒，即客戶端傳送的連線請求都會註冊到多路複用器上，多路複用器輪詢到連線有I/O請求時才啟動一個執行緒進行處理。

BIO、NIO適用場景分析: