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Java NIO Selector 的使用

2022-02-23 16:00 https://my.oschina.net/leonsh/blog/5460724 SH的全栈笔记 次阅读 条评论

之前的文章已经把 Java 中 NIO 的 Buffer、Channel 讲解完了,不太了解的可以先回过头去看看。这篇文章我们就来聊聊 Selector —— 选择器。

首先 Selector 是用来干嘛的呢?不熟悉这个概念的话我们其实可以这么理解:

selector

把它当作 SQL 中的 select 语句,在 SQL 中无非就是筛选出符合条件的结果集合。而 NIO 中的 Selector 用途类似,只不过它选择出来的是有就绪 IO 事件的 Channel

IO 事件代表了 Channel 对于不同的 IO 操作所处的不同的状态,而不是对 Channel 进行 IO 操作。总共有 4 种 IO 事件的定义:

  • OP_READ 可读
  • OP_WRITE 可写
  • OP_CONNECT 连接
  • OP_ACCEPT 接收

IO 事件分类

比如 OP_READ,其就绪是指数据已经在内核态 Ready 了并且已经从内核态复制到了用户态的缓冲区,然后我们的应用程序就可以去读取数据了,这叫可读

再比如 OP_CONNECT,当某个 Channel 已经完成了握手连接,则 Channel 就会处于 OP_CONNECT 的状态。

对用户态和内核态不了解的,可以去看看之前写的 《用户态和内核态的区别》

在之前讲 BIO 模型的时候说过,用户态在发起 read 系统调用之后会一直阻塞,直到数据在内核态 Ready 并且复制到用户态的缓冲区内。如果只有一个用户还好,随便你阻塞多久。但要是这时有其他用户发请求进来了,就会一直卡在这里等待。这样串行的处理会导致系统的效率极其低下。

针对这个问题,也是有解决方案的。那就是为每个用户都分配一个线程(即 Connection Per Thread),乍一想这个思路可能没问题,但使用线程需要消耗系统的资源,例如在 JVM 中一个线程会占用较多的资源,非常昂贵。系统稍微并发多一些(例如上千),你的系统就会直接 OOM 了。而且,线程频繁的创建、销毁、切换也是一个比较耗时的操作。

而如果用 NIO,虽然不会阻塞了,但是会一直轮询,让 CPU 空转,也是一个不环保的方式。

而如果用 Selector,只需要一个线程来监听多个 Channel,而这个多个可以上千、上万甚至更多。那这些 Channel 是怎么跟 Selector 关联上的呢?

答案是通过注册,因为现在变成了 Selector 决定什么时候处理 Channel 中的事件,而注册操作则相当于将 Channel 的控制权转交给了 Selector。一旦注册上了,后续当 Channel 有就绪的 IO 事件,Selector 就会将它们选择出来执行对应的操作。

说了这么多,来看个例子吧,客户端的代码相对简单,后续再看,我们先看服务端的:

public static void main(String[] args) throws IOException {
  // 创建 selector, 管理多个 channel
  Selector selector = Selector.open();

  // 创建 ServerSocketChannel 并且绑定端口
  ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
  serverSocketChannel.configureBlocking(false);
  serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));

  // 将 channel 注册到 selector 上
  SelectionKey serverSocketChannelKey = serverSocketChannel.register(selector, 0);
  // 由于总共有 4 种事件, 分别是 accept、connect、read 和 write,
  // 分别代表有连接请求时触发、客户端建立连接时触发、可读事件、可写事件
  // 我们可以使用 interestOps 来表明只处理有连接请求的事件
  serverSocketChannelKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);

  System.out.printf("serverSocketChannel %s\n", serverSocketChannelKey);
  while (true) {
    // 没有事件发生, 线程会阻塞; 有事件发生, 就会让线程继续执行
    System.out.println("start to select...");
    selector.select();
    // 换句话说, 有连接过来了, 就会继续往下走

    // 通过 selectedKeys 包含了所有发生的事件, 可能会包含 READ 或者 WRITE
    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
      SelectionKey key = iterator.next();
      System.out.printf("selected key %s\n", key);

      // 这里需要进行事件区分
      if (key.isAcceptable()) {
        System.out.println("get acceptable event");

        // 触发此次事件的 channel, 拿到事件一定要处理, 否则会进入非阻塞模式, 空转占用 CPU
        // 例如你可以使用 key.cancel()
        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 这个 socketChannel 也需要注册到 selector 上, 相当于把控制权交给 selector
        SelectionKey socketChannelKey = socketChannel.register(selector, 0);
        socketChannelKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        System.out.printf("get socketChannel %s\n", socketChannel);
      } else if (key.isReadable()) {
        System.out.println("get readable event");

        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);
        channel.read(buf);
        buf.flip();
        ByteBufferUtil.debugRead(buf);
        key.cancel();
      }
      
      iterator.remove();
    }
  }
}

看起来有点多,但相应的注释都写了,可以先看看。其实这里的很多代码跟之前的玩转 Channel 的代码差不多的,这里抽一些我认为值得讲的解释一下。

首先就是 Selector.open(),跟 Channel 的 open 方法类似,可以理解为创建一个 selector。

其次就是 SelectionKey serverSocketChannelKey = serverSocketChannel.register(selector, 0); 了,我们调用了 serverSocketChannel 的注册方法之后,返回了一个 SelectionKey,这是个什么概念呢?

说简单点,你可以把 SelectionKey 理解为你去商场寄存柜存东西,那个机器吐给你的提取凭证

换句话说,这个 SelectionKey 就是当前这个 serverSocketChannel 注册到 selector 上的凭证。selector 会维护一个 SelectionKey 的集合,用于统一管理。

selectionkey 集合

上图中的每个 Key 都代表了一个具体的 Channel。

而至于 register 的第二个参数,我们传入的是 0,代表了当前 Selector 需要关注这个 Channel 的哪些 IO 事件。0 代表不关注任何事件,我们这里是通过 serverSocketChannelKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); 来告诉 Selector,对这个 Channel 只关注 OP_ACCEPT 事件。

IO 事件有 4 个,如果你想要同时监听多个 IO 事件怎么办呢?答案是通过或运算符。

serverSocketChannelKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT | SelectionKey.OP_READ);

上面说过,NIO 虽然不阻塞,但会一直轮询占用 CPU 的资源,而 Selector 解决了这个问题。在调用完 selector.select(); 之后,线程会在这里阻塞,而不会像 NIO 一样疯狂轮询,把 CPU 拉满。所以 Selector 只会在有事件处理的时候才执行,其余时间都会阻塞,极大的减少了 CPU 资源的占用。

当客户端调用 connect 发起连接之后,Channel 就会处于 OP_CONNECT 就绪状态,selector.select(); 就不会再阻塞,会继续往下运行,即:

Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();

其中 selectedKeys 这个名字也能看出来,表示被选出来的 SelectionKey。上面我们已经讨论过 Selector 维护的一种集合 —— SelectionKey 集合,接下来我们再讨论另外一种集合 —— SelectedKey 集合。

selectedkey 集合

当 Channel 有就绪 IO 事件之后,对应的 Key 就会被加入到 SelectedKey 集合中,然后这一次 While 循环会依次处理被选择出来的所有 Key。

但被选择出来的 Key 可能触发的是不同的 IO 事件,所以我们需要对 Key 进行区分。代码里区分了 OP_ACCEPT 和 OP_READ,分别讨论一下。

ServerSocketChannel 一开始 register 的时候只设定关注 OP_ACCEPT 事件,所以第一次循环只会进入 IsAcceptable 分支里,所以这里通过 iterator.next() 迭代器拿到的 SelectionKey 就是 serverSocketChannel 注册之后返回的 Key,同理拿到的 channel 的就是最开始调用 ServerSocketChannel.open(); 创建的 channel。

拿到了 ServerSocketChannel 我们就可以调用其 accept() 方法来处理建立连接的请求了,这里值得注意的是,建立连接之后,这个 SocketChannel 也需要注册到 Selector 上去,因为这些 SocketChannel 也需要将控制权交给 Selector,这样后续有就绪 IO 事件才能通过 Selector 处理。这里我们对这个 SocketChannel 只关注 OP_READ 事件。相当于把后续进来的所有的连接和 Selector 就关联上了。

Accept 事件处理成功之后,服务器这边会继续循环,然后再次在 selector.select(); 处阻塞住。

客户端这边会继续调用 write 方法向 channel 写入数据,数据 Ready 之后就会触发 OP_READ 事件,然后继续往下走,这次由于事件是 OP_READ 所以会进入 key.isReadable() 这个分支。进入这个分支之后会获取到对应的 SocketChannel,并从其中读取客户端发来的数据。

而另一个值得关注的是 iterator.remove();,每次迭代都需要把当前处理的 SelectedKey 移除,这是为什么呢?

因为对应的 Key 进入了 SelectedKey 集合之后,不会被 NIO 里的机制给移除。如果我们不去移除,那么下一次调用 selector.selectedKeys().iterator(); 会发现,上次处理的有 OP_ACCEPT 事件的 SelectionKey 还在,而这会导致上面的服务端程序抛出空指针异常。

大家可以自行将 iterator.remove(); 注释掉再试试

客户端的代码很简单,就直接给出来了:

public static void main(String[] args) throws IOException {
  SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
  socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
  buffer.put("test".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

  buffer.flip();
  socketChannel.write(buffer);
}

如果不去移除的话,服务端会在下面这行 NPE。

socketChannel.configureBlocking(false);

为啥呢?因为此时 SelectionKey 虽然还在,ServerSocketChannel 也能拿到,但调用 channel.accept(); 的时候,并没有客户端真正在发起连接(上一个循环已经处理过真正的连接请求了,只是没有将这个 Key 从 SelectedKey 中移除)。所以 channel.accept(); 会返回一个 null,我们再对 null 调用 configureBlocking 方法,自然而然就 NPE 了。

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