簡介

Selector 是 java.nio.channels 包下的重要元件，閱讀本文可以帶你瞭解常用的 API。本文中把 Channel 翻譯成通道，按照個人習慣也可以稱作是通道、管道。
Selector 的核心元件有 SelectableChannel、Selector、SelectionKey。

多路複用選擇器更多的是用在 Java 網路程式設計，網路程式設計的常用到就是 UDP / TCP 。SelectableChannel 的子類如下：

• 抽象類 SelectableChannel，它可以通過 Selector 多路複用。要使用多路複用功能，首先要註冊。SelectableChannel 通過 register(Selector, int)
  方法註冊到 Selector 中，並返回 SelectionKey 作為註冊代表。
• 抽象類 AbstractSelectableChannel ，它實現了 configureBlocking() 和 register() 方法，分別用於設定阻塞模式和註冊事件
• 抽象類 DatagramChannel 提供 UDP 通道服務。
• 抽象類 ServerSocketChannel 提供 TCP 通道服務。主要用於伺服器端
• 抽象類 SocketChannel 代表連線服務端與客戶端的通道。通過 ServerSocketChannel.accept() 獲得。當服務端接收到一個來自客戶端的連線時就會產生一個通道。

各通道支援的事件

通過 AbstractSelectableChannel#validOps() 方法，可以返回一個操作集合（型別是 int）。這個集合表示該通道支援的操作。int 的每一個 bit 位代表通道是否支援某類操作。
同一個 SelectableChannel 的完全實現類的 validOps 方法總是返回固定的值。

• 目前 Selector 支援的事件型別是 4 種，分別是 SelectionKey.OP_ACCEPT、SelectionKey.OP_CONNECT、SelectionKey.OP_WRITE、SelectionKey.OP_READ，分別表示接受連線，主動連線，寫，讀

註冊事件及異常

AbstractSelectableChannel#register 方法可以註冊指定事件到 Selector 中，並且還會儲存註冊成功後返回的 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();
            // 從陣列 SelectionKey[] 尋找選擇器 sel 對應的 SelectionKey
            SelectionKey k = findKey(sel);
            if (k != null) {
                  k.interestOps(ops);
                  k.attach(att);
            }
            if (k == null) {
                  // 新註冊一個 SelectionKey
                  synchronized (keyLock) {
                        if (!isOpen())
                              throw new ClosedChannelException();
			// Selector 註冊當前通道，並返回 SelectionKey
			k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
			// 將 SelectionKey 儲存到陣列中
			addKey(k);
                  }
            }
            return k;
      }
}

從這段原始碼中，我們還會留意到我們寫程式碼常常會出現的幾個異常：

• 如果我們向 SelectableChannel 例項物件註冊它不支援的事件，丟擲 IllegalArgumentException
• 我們註冊事件前，沒有呼叫 configureBlocking(false) 設定非阻塞，丟擲 IllegalBlockingModeException
  以上這兩個是首次運用 Selector 時最常碰到的異常，另外還有一些其他的異常，比如
• 關閉 SelectorChannel 後，註冊事件，丟擲 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);
}

• 關閉 Selector 後，註冊事件，丟擲 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 後，註冊事件，丟擲 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(); // 如果重新整理一下就不會丟擲異常
    channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}

通過 SelectableChannel#register 的註冊方法，可以形成以下關係：

• 先看標識“五角星”的 AbstractSelectableChannel，包含一個可擴容的 SelectionKey 陣列，通過陣列元素對應多個不同的 Selector
• 再看標識“三角形”的 SelectionKey，通過這個物件，可以找到註冊時對應的 selector 和 channel
• 然後看標識“五角星”的 Selector，包含一個 HashSet<SelectionKey>，通過集合儲存與多個 SelectableChannel 的對應關係
• 總而言之，SelectableChannel 和 Selector 通過 SelectionKey 形成了多對多的關係

Selector 操作狀態說明

下圖是常見的 Selector 操作及其鍵集的變化示意圖：

• keys 鍵集，儲存所有註冊的 SelectionKey 的集合。
• selectedKeys 就緒鍵集，儲存所有準備就緒的鍵，通過 select 方法增加
• cancelledKeys 取消鍵集，儲存所有已取消的鍵，通過 select 方法，可以從 keys 中清除所有取消鍵，同時清空取消鍵集。

總結

Selector、SelectableChannel、SelectionKey 是 Java NIO 多路複用中的核心元件。
多路複用技術主要用於網路程式設計，SelectableChannel 其主要實現包含 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。

• Selecter 是 SelectableChannel 在設定非阻塞情況下使用的多路複用選擇器。
• SelectableChannel 支援註冊事件的通道。
• SelectionKey 是註冊事件後，建立 Selector 與 SelectableChannel 之間關係的橋樑。