選擇器 Selector 是 I/O 多路複用的核心元件，它可以監控實現了 SelectableChannel 的[通道](https://www.cnblogs.com/robothy/p/14234437.html)的就緒情況。有了多路複用(multiplexing) I/O 模型，使得單執行緒的 Java 程式在極端情況下能夠處理數萬個連線，極大提高了程式的併發數。 ## 1. 多路複用 I/O 模型 I/O 多路複用模型是作業系統提供給應用程式的一種進行 [I/O 操作的模型](http://www.cs.toronto.edu/~krueger/csc209h/f05/lectures/Week11-Select.pdf)。應用程式通過 select/poll 系統呼叫監控多個 I/O 裝置，一旦某個或者多個 I/O 裝置的處於就緒狀態（例如：可讀）則返回，應用程式隨後可對就緒的裝置進行操作。 大致流程如下： 1）應用程式向核心發起 select 系統呼叫，該呼叫會阻塞應用程式。 2）核心等待資料到達。資料可能由 DMA 複製到核心緩衝區，也有可能是 CPU 進行復制。 3）資料準備完畢，select 呼叫返回。select 返回的是一個集和，可能有多個連線都已經就緒。 4）應用程式發起 read 系統呼叫。 5）作業系統將資料有核心緩衝區複製到使用者緩衝區。 6）read 呼叫返回。 I/O 多路複用模型本質上是一種阻塞 I/O，進行讀操作的 read 系統呼叫是阻塞的，select 的時候也是阻塞的。不過 I/O 多路複用模型的優勢在於阻塞時可以等待多路 I/O 就緒，然後一併處理。與多執行緒處理多路 I/O 相比，它是單執行緒的，沒有執行緒切換的開銷，單位時間內能夠處理多的連線數。 ## 2. 選擇器與通道關係 在 Java 中，通道 Channel 可以表示 I/O 連線，而選擇器可以監控某些 I/O 事件就緒的通道，選擇通道中就緒的 I/O 事件。這裡的通道必須是實現了 SelectableChannel 介面的通道，例如：SocketChannel, DatagramChannel 等；而檔案通道 FileChannel 沒有實現該介面，所以不支援選擇器。 Selector選擇器SelectableChannel可選擇通道SelectableChannel可選擇通道SelectableChannel可選擇通道SelectableChannel可選擇通道 ## 3. 選擇鍵 SelectionKey 選擇器 Selector 監控通道時監控的是通道中的事件，選擇鍵 SelectionKey 就代表著 I/O 事件。程式通過呼叫 Selector.select() 方法來選中選擇器所監控的通道中的就緒的 I/O 事件的集合，然後遍歷集合，對事件作出相應的處理。 選擇鍵 SelectionKey 可以表示 4 種事件，這 4 種事件使用 int 型別的常量來表示。 1）SelectionKey.OP_ACCEPT 表示 accept 事件就緒。例如：對於 ServerSocketChannel 來說，該事件就緒表示可以呼叫 accept() 方法來獲得與客戶端連線的通道 SocketChannel。 2）SelectionKey.OP_CONNECT 表示客戶端與服務端連線成功。 3）SelectionKey.OP_READ 表示通道中已經有了可讀資料，可以呼叫 read() 方法從通道中讀取資料。 4）SelectionKey.OP_WRITE 表示寫事件就緒，可以呼叫 write() 方法往通道中寫入資料。 不同的通道所能夠支援的 I/O 事件不同，例如：ServerSocketChannel 只支援 accept 事件，而 DatagramChannel 只支援 read 和 write 事件。要檢視通道所支援的事件，可以檢視通道的 javadoc 文件，或者呼叫通道的 validOps() 方法來進行判斷。例如：channel.validOps() & SelectionKey.OP_READ >

0 表示 channel 支援讀事件。 ## 4. 選擇器使用步驟 ### 4.1 獲取選擇器 與通道和緩衝區的獲取類似，選擇器的獲取也是通過靜態工廠方法 open() 來得到的。 ```java Selector selector = Selector.open(); // 獲取一個選擇器例項 ``` ### 4.2 獲取可選擇通道 能夠被選擇器監控的通道必須實現了 SelectableChannel 介面，並且需要將通道配置成非阻塞模式，否則後續的註冊步驟會丟擲 IllegalBlockingModeException。 ```java SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9090)); // 開啟 SocketChannel 並連線到本機 9090 埠 socketChannel.configureBlocking(false); // 配置通道為非阻塞模式 ``` ### 4.3 將通道註冊到選擇器 通道在被指定的選擇器監控之前，應該先告訴選擇器，並且告知監控的事件，即：將通道註冊到選擇器。 通道的註冊通過 SelectableChannel.register(Selector selector, int ops) 來完成，ops 表示關注的事件，如果需要關注該通道的多個 I/O 事件，可以傳入這些事件型別或運算之後的結果。這些事件必須是通道所支援的，否則丟擲 IllegalArgumentException。 ```java socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); // 將套接字通過到註冊到選擇器，關注 read 和 write 事件 ``` ### 4.4 輪詢 select 就緒事件 通過呼叫選擇器的 Selector.select() 方法可以獲取就緒事件，該方法會將就緒事件放到一個 SelectionKey 集合中，然後返回就緒的事件的個數。這個方法對映多路複用 I/O 模型中的 select 系統呼叫，它是一個阻塞方法。正常情況下，直到至少有一個就緒事件，或者其它執行緒呼叫了當前 Selector 物件的 wakeup() 方法，或者當前執行緒被中斷時返回。 ```java while (selector.select() >

0){ // 輪詢，且返回時有就緒事件 Set keys = selector.selectedKeys(); // 獲取就緒事件集合 ....... } ``` 有 3 種方式可以 select 就緒事件： 1）select() 阻塞方法，有一個就緒事件，或者其它執行緒呼叫了 wakeup() 或者當前執行緒被中斷時返回。 2）select(long timeout) 阻塞方法，有一個就緒事件，或者其它執行緒呼叫了 wakeup()，或者當前執行緒被中斷，或者阻塞時長達到了 timeout 時返回。不丟擲超時異常。 3）selectNode() 不阻塞，如果無就緒事件，則返回 0；如果有就緒事件，則將就緒事件放到一個集合，返回就緒事件的數量。 ### 4.5 處理就緒事件 每次可以 select 出一批就緒的事件，所以需要對這些事件進行迭代。從一個 SelectionKey 物件可以得到：1）就緒事件的對應的通道；2）就緒的事件。通過這些資訊，就可以很方便地進行 I/O 操作。 ```java for(SelectionKey key : keys){ if(key.isWritable()){ // 可寫事件 if("Bye".equals( (line = scanner.nextLine()) )){ socketChannel.shutdownOutput(); socketChannel.close(); break; } buf.put(line.getBytes()); buf.flip(); socketChannel.write(buf); buf.compact(); } } keys.clear(); // 清除選擇鍵（事件）集，避免下次迴圈的時候重複處理。 ``` 需要注意的是，處理完 I/O 事件之後，需要清除選擇鍵集和，避免下一輪迴圈的時候對同一事件重複處理。 ## 5. 完整示例 下面給出一個完整的例項，例項中包含 TCP 客戶端 TcpClient, UDP 客戶端 UdpClient 和服務端 EchoServer。服務端 EchoServer 可以同時處理 UDP 請求和 TCP 請求，使用者可以在客戶端控制檯輸入內容，按回車傳送給服務端，服務端列印客戶端傳送過來的內容。完整程式碼：https://github.com/Robothy/java-experiments/tree/main/nio/Selector ### 5.1 服務端 ```java public class EchoServer { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); // 獲取選擇器 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 開啟伺服器通道 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 伺服器通道配置為非阻塞模式 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); // 繫結 TCP 埠 9090 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 將伺服器通道註冊到選擇器 selector 中，註冊事件為 ACCEPT DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open(); // 開啟套接字通道 datagramChannel.configureBlocking(false); // 配置通道為非阻塞模式 datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); // 繫結 UDP 埠 9090 datagramChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 將通道註冊到選擇器 selector 中，註冊事件為讀取資料 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); // 分配一個 1024 位元組的堆位元組緩衝區 while (selector.select() > 0){ // 輪詢已經就緒的註冊的通道的 I/O 事件 Set keys = selector.selectedKeys(); // 獲取就緒的 I/O 事件，即選擇器鍵集合 for (SelectionKey key : keys){ // 遍歷選擇鍵，處理就緒事件 if(key.isAcceptable()){ // 選擇鍵的事件的是 I/O 連線事件 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); // 執行 I/O 操作，獲取套接字連線通道 socketChannel.configureBlocking(false); // 配置為套接字通道為非阻塞模式 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 將套接字通過到註冊到選擇器，關注 READ 事件 }else if(key.isReadable()){ // 選擇鍵的事件是 READ StringBuilder sb = new StringBuilder(); if(key.channel() instanceof DatagramChannel){ // 選擇的通道為資料報通道，客戶端是通過 UDP 連線過來的 sb.append("UDP Client: "); datagramChannel.receive(buf); // 最多讀取 1024 位元組，資料報多出的部分自動丟棄 buf.flip(); while(buf.position() < buf.limit()) { sb.append((char)buf.get()); } buf.clear(); }else{ // 選擇的通道為套接字通道，客戶端時通過 TCP 連線過來的 sb.append("TCP Client: "); ReadableByteChannel channel = (ReadableByteChannel) key.channel(); // 獲取通道 int size; while ( (size = channel.read(buf))>0){ buf.flip(); while (buf.position() < buf.limit()) { sb.append((char)buf.get()); } buf.clear(); } if (size == -1) { sb.append("Exit"); channel.close(); } } System.out.println(sb); } } keys.clear(); // 將選擇鍵清空，防止下次迴圈時被重複處理 } } } ``` ### 5.2 TCP 客戶端 ```java public class TcpClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9090)); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); Scanner scanner = new Scanner(System.in); String line; ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); while (selector.select() > 0){ Set keys = selector.selectedKeys(); for(SelectionKey key : keys){ if(key.isWritable()){ if("Bye".equals( (line = scanner.nextLine()) )){ socketChannel.shutdownOutput(); socketChannel.close(); break; } buf.put(line.getBytes()); buf.flip(); socketChannel.write(buf); buf.compact(); } } keys.clear(); if(!socketChannel.isOpen()) break; } } } ``` ### 5.3 UDP 客戶端 ```java public class UdpClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); // 獲取選擇器 DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open(); // 開啟一個數據報通道 datagramChannel.configureBlocking(false); // 配置通道為非阻塞模式 datagramChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); // 將通道的寫事件註冊到選擇器 ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024); // 分配位元組緩衝區 Scanner scanner = new Scanner(System.in); // 建立掃描器，掃描控制檯輸入流 InetSocketAddress server = new InetSocketAddress("localhost", 9090); while (selector.select() > 0){ // 有就緒事件 Set keys = selector.selectedKeys(); // 獲取選擇鍵，即就緒的事件 for(SelectionKey key : keys){ // 遍歷選擇鍵 if(key.isWritable()){ // 如果當前選擇鍵是讀就緒 String line; if("Bye".equals( line = scanner.nextLine() )) { // 從控制檯獲取 1 行輸入，並檢查輸入的是不是 Bye System.exit(0); // 正常退出 } buff.put(line.getBytes()); // 放入緩衝區 buff.flip(); // 將緩衝區置為讀狀態 datagramChannel.send(buff, server); // 往 I/O 寫資料 buff.compact(); // 壓縮緩衝區，保留沒傳送完的資料 } } keys.clear(); } } } ``` ## 6. 小結 Selector 作為多路複用 I/O 模型的核心元件，能夠同時監控多路 I/O 通道。選擇器在 select 就緒事件地時候會阻塞，在處理 I/O 事件的時候也會阻塞，它的優勢在於在阻塞的時候可以等待多路 I/O 就緒，是一種非同步阻塞 I/O 模型。與多執行緒處理多路 I/O 相比，多路複用模型只需要單個執行緒即可處理萬級連線，沒有執行緒切換的