Java NIO程式設計例項之三Selector
Java NIO主要包含三個概念，即緩衝區（Buffer）、通道（Channel）和選擇器（Selector）。前面的文章已經介紹了緩衝區和通道，本文則講述最複雜的選擇器Selector。
本文是本系列的第三篇文章，關於緩衝區Buffer可以看第一篇：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25701512
關於通道Channel可以看第二篇：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25914350
1. Selector涉及的三個概念
在理解了Buffer和Channel之後，終於來到了最終的解決方案面前，那就是使用Selector來實現單執行緒控制多路非阻塞IO。Selector是如此重要，可以說它就是NIO非同步IO的核心控制器。Selector需要其他兩種物件配合使用，即SelectionKey和SelectableChannel，它們之間的關係如下圖所示：
SelectableChannel是一類可以與Selector進行配合的通道，例如Socket相關通道以及Pipe產生的通道都屬於SelectableChannel。這類通道可以將自己感興趣的操作（例如read、write、accept和connect）註冊到一個Selector上，並在Selector的控制下進行IO相關操作。
Selector是一個控制器，它負責管理已註冊的多個SelectableChannel，當這些通道的某些狀態改變時，Selector會被喚醒（從select()方法的阻塞中），並對所有就緒的通道進行輪詢操作。
SelectionKey是一個用來記錄SelectableChannel和Selector之間關係的物件，它由SelectableChannel的register()方法返回，並存儲在Selector的多個集合中。它不僅記錄了兩個物件的引用，還包含了SelectableChannel感興趣的操作，即OP_READ，OP_WRITE，OP_ACCEPT和OP_CONNECT。
1.1 register方法
在展示例子程式碼之前，必須對一些概念和操作進行簡要的介紹。首先是SelectableChannel的register方法，它的正式定義為：
SelectionKey register(Selector sel, int ops)第一個引數指明要註冊的Selector，第二個引數指明本通道感興趣的操作，此引數的取值可以是SelectionKey.OP_ACCEPT等四個，以及它們的邏輯值，例如SelectionKey.OP_READ & SelectionKey.OP_WRITE。方法的返回值是一個SelectionKey，這個物件會被自動加入Selector的keys集合，因此不必特意保留這個SelectionKey的物件引用，需要時可以使用Selector的keys()方法得到所有的SelectionKey物件引用。
註冊完成後，該通道就與Selector保持關聯了。當通道的狀態改變時，其改變會自動被Selector感知，並在Selector的三個集合中反應出來。
1.2 Selector的三個集合
如上圖所示，Selector物件會維持三個SelectionKey集合，分別是keys集合，儲存了所有與Selector關聯的SelectionKey物件；selectedKeys集合，儲存了在一次select()方法呼叫後，所有狀態改變的通道關聯的SelectionKey物件；cancelledKeys集合，儲存了一輪select()方法呼叫過程中，所有被取消但還未從keys中刪除的SelectionKey物件。
其中最值得關注的是selectedKeys集合，它使用Selector物件的selectedKeys()方法獲得，並通常會進行輪詢處理。
1.3 select方法
Selector類的select()方法是一個阻塞方法，它有兩種形式：
int select()
int select(long timeout)
不帶引數的方法會一直阻塞，直到至少有一個註冊的通道狀態改變，才會被喚醒；帶有timeout引數的方法會一直阻塞，直到時間耗盡，或者有通道的狀態改變。
1.4 輪詢處理
在一次select()方法返回後，應對selectedKeys集合中的所有SelectionKey物件進行輪詢操作，並在操作完成後手動將SelectionKey物件從selectedKeys集合中刪除。
2. Selector程式碼例項
在展示具體的程式碼之前，先畫一個從《Netty In Action》書上抄來的圖：
服務端程式碼：
public class SelectorServer {
private static final int PORT = 1234;
private static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(PORT));
ssc.configureBlocking(false);
//1.register()
Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("REGISTER CHANNEL , CHANNEL NUMBER IS:" + selector.keys().size());
while (true) {
//2.select()
int n = selector.select();
if (n == 0) {
continue;
}
//3.輪詢SelectionKey
Iterator<SelectionKey> iterator = (Iterator) selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
//如果滿足Acceptable條件，則必定是一個ServerSocketChannel
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel sscTemp = (ServerSocketChannel) key.channel();
//得到一個連線好的SocketChannel，並把它註冊到Selector上，興趣操作為READ
SocketChannel socketChannel = sscTemp.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("REGISTER CHANNEL , CHANNEL NUMBER IS:" + selector.keys().size());
}
//如果滿足Readable條件，則必定是一個SocketChannel
if (key.isReadable()) {
//讀取通道中的資料
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
readFromChannel(channel);
}
//4.remove SelectionKey
iterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static void readFromChannel(SocketChannel channel) {
buffer.clear();
try {
while (channel.read(buffer) > 0) {
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(bytes);
System.out.println("READ FROM CLIENT:" + new String(bytes));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}首先註冊了一個ServerSocketChannel，它用來監聽1234埠上的連線；當監聽到連線時，把連線上的SocketChannel再註冊到Selector上，這些SocketChannel註冊的是SelectionKey.OP_READ事件；當這些SocketChannel狀態變為可讀時，讀取資料並顯示。
客戶端程式碼：
public class SelectorClient {
static class Client extends Thread {
private String name;
private Random random = new Random(47);
Client(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
try {
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false);
channel.connect(new InetSocketAddress(1234));
while (!channel.finishConnect()) {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
}
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100 * random.nextInt(10));
String str = "Message from " + name + ", number:" + i;
buffer.put(str.getBytes());
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
channel.write(buffer);
}
buffer.clear();
}
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.submit(new Client("Client-1"));
executorService.submit(new Client("Client-2"));
executorService.submit(new Client("Client-3"));
executorService.shutdown();
}
}客戶端建立了三個執行緒，每個執行緒建立一個SocketChannel通道，並連線到伺服器，並向伺服器傳送5條訊息。
3. 小結
Selector是Java NIO的核心概念，以至於一些人直接將NIO稱之為Selector-based IO。要學會Selector的使用首先是要明白其相關的多個概念，並多多動手去寫。
至此《Java NIO程式設計例項》系列的三篇就寫完了，接下來應該好好介紹一下Netty了，畢竟它才是在具體的Java服務端程式設計用得最多的框架。Netty克服了NIO中一些概念和設計上的不足之處，提供了更加優雅的解決方案。但是，要學好用好Netty，學習NIO是必經之路，有了NIO的基礎，才能真正學好Netty。