Java NIO - Channel 與 Selector

LZC發表於2020-06-16
Java

Java NIO有三個核心的元件：Buffer、Channel和Selector。

在上一篇文章中，我們已經介紹了Buffer，這篇文章主要介紹剩下兩個元件：Channel和Selector。

Selector與Channel的關係

Channel翻譯過來是“通道”的意思，所有的Java NIO都要經過Channel。一個Channel物件其實就對應了一個IO連線。Java NIO中主要有以下Channel實現：

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

分別用於處理檔案IO、UDP、TCP客戶端、TCP服務端。

這裡以ServerSocketChannel和SocketChannel為例，介紹一些常用的方法。

// server:
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
int readBytes = socketChannel.read(buffer);
if (readBytes > 0) {
    buffer.flip();
    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    buffer.get(bytes);
    String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("server 收到：" + body);
}

對於服務端來說，先用open方法建立一個物件，然後使用bind方法繫結埠。

繫結以後，使用accept方法等待新的連線進來，這個方法是阻塞的。一旦有了新的連線，才會解除阻塞。再次呼叫可以阻塞等待下一個連線。

與Buffer配合，使用read方法可以把資料從Channel讀到Buffer裡面，然後做後續處理。

// Client:
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
buffer.put("hi, 這是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);

對於客戶端來說，有一些微小的區別。客戶端不需要bind監聽埠，而是直接connect去嘗試連線服務端。

同樣與Buffer配合，Channel使用write方法可以把資料從Buffer寫到Channel裡，然後後續就可以做網路傳輸了。

Selector翻譯過來叫做“選擇器”，Selector允許一個執行緒處理多個Channel。Selector的應用場景是：如果你的應用開啟了多個連線（Channel），但每個連線的流量都很低。比如：聊天伺服器或者HTTP伺服器。

使用Selector很簡單。使用open方法建立一個Selector物件，然後把Channel註冊到Selector上。

// 建立一個Selector
Selector selector = Selector.open();

// 把一個Channel註冊到Selector
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

需要注意的是，一定要使用configureBlocking(false)把Channel設定成非阻塞模式，否則會丟擲IllegalBlockingModeException異常。

Channel的register有兩個過載方法：

SelectionKey register(Selector sel, int ops) {
    return register(sel, ops, null);
}
SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);

對於ops引數，即selector要關心這個Channel的事件型別，在SelectionKey類裡面有這樣幾個常量：

  • OP_READ 可以從Channel讀資料
  • OP_WRITE 可以寫資料到Channel
  • OP_CONNECT 連線上了伺服器
  • OP_ACCEPT 有新的連線進來了

如果你對不止一種事件感興趣，使用或運算子即可，如下：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

需要注意的是，FileChannel只有阻塞模式，不支援非阻塞模式，所以它是沒有register方法的！

第三個引數att是attachment的縮寫，代表可以傳一個“附件”進去。在返回的SelectionKey物件裡面，可以獲取以下物件：

  • channel()：獲取Channel
  • selector()：獲取Selector
  • attachment()：獲取附件
  • attach(obj)：更新附件

除此之外，還有一些判斷當前狀態的方法：

  • isReadable()
  • isWritable()
  • isConnectable()
  • isAcceptable()

一般來說，我們很少直接使用單個的SelectionKey，而是從Selector裡面輪詢所有的SelectionKey，比如：

輪詢

 while (selector.select() > 0) {
     Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
     while(keyIterator.hasNext()) {
         SelectionKey key = keyIterator.next();
         if (key.isReadable()) {
             SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
             // read
         } else if(key.isAcceptable()) {
             // accept
         }
         // 其它條件
         keyIterator.remove();
     }
 }

Selector可以返回兩種SelectionKey集合：

  • keys()：已註冊的鍵的集合
  • selectedKeys()：已選擇的鍵的集合

並不是所有註冊過的鍵都仍然有效，有些可能已經被cancel()方法被呼叫過的鍵。所以一般來說，我們輪詢selectedKeys()方法。

以下是一個完整的Server-Client Demo：

Server：

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                Selector selector = Selector.open();
        ) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            System.out.println("server 啟動...");
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (selector.select() > 0) {
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while(keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
                    if (key.isReadable()) {
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        int readBytes = socketChannel.read(buffer);
                        if (readBytes > 0) {
                            buffer.flip();
                            byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                            buffer.get(bytes);
                            String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
                            System.out.println("server 收到：" + body);
                        }
                    } else if(key.isAcceptable()) {
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Client：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        ) {
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            System.out.println("client 啟動...");

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
            buffer.put("hi, 這是client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

作者：公眾號_xy的技術圈

連結：www.imooc.com/article/289136

來源：慕課網

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