关于netty:NettyNIO三剖析-Selector

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前言

本篇博文是《从 0 到 1 学习 Netty》中 NIO 系列的第三篇博文，次要内容是 介绍通过应用 Selector，一个独自的线程能够无效地监督多个通道，从而进步应用程序的解决效率，往期系列文章请拜访博主的 Netty 专栏，博文中的所有代码全副收集在博主的 GitHub 仓库中；

介绍

在 Java 中，Selector 是 NIO（New Input/Output）库中的一种对象，用于监控多个通道的状态，例如文件 I/O 或者网络 I/O。

Selector 的工作原理是应用 select() 办法轮询已注册的通道，获取它们的就绪状态，并返回一个已筹备好进行 I/O 操作的通道汇合。通过应用此机制，能够监督几个通道的状态，并且只有当至多一个通道处于就绪状态时才会执行 I/O 操作，从根本上防止了 CPU 的节约。

总之，Selector 是一种弱小的工具，可实现高效的 I/O 操作和网络编程，因为它可能轻松地监督多个通道的状态并在须要时对它们进行操作。

应用

1、创立 selector，治理多个 channel；

Selector selector = Selector.open();

2、注册 selector 和 channel 的分割；

SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);  
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);

SelectionKey 示意一个通道（Channel）与一个选择器（Selector）之间的注册关系。每个通道在与选择器进行注册时都会创立一个对应的 SelectionKey 对象，这个对象蕴含了对于通道和选择器的一些元数据信息。

这里 SelectionKey 调用 register() 办法指定感兴趣的事件类型，绑定的 事件类型 有以下几种：

  • connect – 客户端连贯胜利时触发；
  • accept – 服务器端胜利承受连贯时触发；
  • read – 数据可读入时触发，有因为接管能力弱，数据暂不能读入的状况；
  • write – 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的状况；

3、通过 selector 监听事件，并取得就绪的通道个数，若没有通道就绪，线程会被阻塞：

  • 阻塞直到绑定事件产生；

    int count = selector.select();

  • 阻塞直到绑定事件产生，或是 超时（工夫单位为 ms）；

    int count = selector.select(long timeout);

  • 不会阻塞，即不论有没有事件，立即返回，依据返回值查看是否有事件；

    int count = selector.selectNow();

4、处理事件，SelectionKey 外部蕴含了所有产生的事件：

selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();
    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
    SocketChannel sc = channel.accept();}

5、整体代码如下所示：

@Slf4j
public class SelectorTest {public static void main(String[] args) {
        try {
            // 1. 创立选择器来治理多个 channel
            Selector selector = Selector.open();

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            ssc.configureBlocking(false);

            // 2. 注册 selector 和 channel 的分割
            SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
            sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
            log.debug("Register Key: {}", sscKey);

            ssc.bind(new InetSocketAddress(7999));

            while (true) {
                // 3. 在没有事件产生时，线程阻塞；反之，则线程复原运行
                selector.select();

                // 4. 处理事件，SelectionKey 外部蕴含了所有产生的事件
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();

                while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();
                    log.debug("Key: {}", key);
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    log.debug("{}", sc);
                }
            }
        } catch (IOException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行后果：

20:22:20 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Register Key: channel=sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[unbound], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=16, readyOps=0
20:22:35 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Key: channel=sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/[0:0:0:0:0:0:0:0]:7999], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=16, readyOps=16
20:22:35 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:7999 remote=/127.0.0.1:61605]

进阶

在上个阶段，咱们只是简略地应用了 selector，但对于其绑定的 事件类型 ，咱们并没有进行特地的关注，然而，在理论利用中，咱们不可能只应用一种 事件类型，因而，咱们须要改良咱们的代码；

这里咱们须要对 事件类型 进行判断，SelectionKey 正好提供了相干的办法：

改良代码如下所示：

while (true) {
    // 3. 在没有事件产生时，线程阻塞；反之，则线程复原运行
    selector.select();

    // 4. 处理事件，SelectionKey 外部蕴含了所有产生的事件
    Set<SelectionKey> keySet = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> iter = keySet.iterator();
    log.debug("count: {}", keySet.size());

    while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();
        log.debug("Selection Key: {}", key);

        // 5. 辨别事件类型
        if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel sc = channel.accept();
            sc.configureBlocking(false);
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            log.debug("sc Key: {}", sc);
        } else if (key.isReadable()) {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            channel.read(buffer);
            buffer.flip();
            debugRead(buffer);
            buffer.clear();}

    }
}

然而在运行时会发现报错空指针异样 NullPointerException：

16:42:24 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Register Key: channel=sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[unbound], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=16, readyOps=0
16:42:45 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - count: 1
16:42:45 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Selection Key: channel=sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/[0:0:0:0:0:0:0:0]:7999], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=16, readyOps=16
16:42:45 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - sc Key: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:7999 remote=/127.0.0.1:60700]
16:43:02 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - count: 2
16:43:02 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Selection Key: channel=java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:7999 remote=/127.0.0.1:60700], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=1, readyOps=1

+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+
position: [0], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 73 69 64 69 6f 74                               |sidiot          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

16:43:02 [DEBUG] [main] c.s.n.c.SelectorTest - Selection Key: channel=sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/[0:0:0:0:0:0:0:0]:7999], selector=sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl@4f51b3e0, interestOps=16, readyOps=16
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at com.sidiot.netty.c2.SelectorTest.main(SelectorTest.java:52)

这是因为咱们没有及时 remove() 造成的，当调用了 server.register() 办法后，Selector 中保护了一个汇合，用于寄存 SelectionKey 以及其对应的通道；

当 Selector 的通道对应的事件产生后 ，SelecionKey 会被放到另一个汇合中，在这个汇合中，即便 SelecionKey 被应用了， 它也不会主动移除，所以在解决完一个事件后，须要手动移除迭代器中的 SelecionKey，否则会导致已被解决过的事件再次被解决，引发一些谬误，例如上述的空指针异样。

当客户端被动断开连接时，也会出现异常，控制台输入如下：

java.net.SocketException: Connection reset
        at java.base/sun.nio.ch.SocketChannelImpl.throwConnectionReset(SocketChannelImpl.java:345)
        at java.base/sun.nio.ch.SocketChannelImpl.read(SocketChannelImpl.java:376)
        at com.sidiot.netty.c2.SelectorTest.main(SelectorTest.java:60)

这是因为当客户端与服务器之间的连贯断开时，会给服务器端发送一个读事件，因而，咱们须要进行判断，当 channel.read() 的返回值为 - 1 时，示意连贯断开，须要调用 key.cancel() 办法勾销此事件；

改良代码如下所示：

if (key.isReadable()) {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    try {int read = channel.read(buffer);
        if (read == -1) {key.cancel();
            channel.close();} else {buffer.flip();
            debugRead(buffer);
            buffer.clear();}
        iter.remove();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
        key.cancel();
        channel.close();
        iter.remove();}
}

整体代码如下所示：

@Slf4j
public class SelectorTest {public static void main(String[] args) {
        try {
            // 1. 创立选择器来治理多个 channel
            Selector selector = Selector.open();

            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            ssc.configureBlocking(false);

            // 2. 注册 selector 和 channel 的分割
            SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
            sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
            log.debug("Register Key: {}", sscKey);

            ssc.bind(new InetSocketAddress(7999));

            while (true) {
                // 3. 在没有事件产生时，线程阻塞；反之，则线程复原运行
                selector.select();

                // 4. 处理事件，SelectionKey 外部蕴含了所有产生的事件
                Set<SelectionKey> keySet = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = keySet.iterator();
                log.debug("count: {}", keySet.size());

                while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();
                    log.debug("Selection Key: {}", key);

                    // 5. 辨别事件类型
                    if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel sc = channel.accept();
                        sc.configureBlocking(false);
                        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        log.debug("sc Key: {}", sc);
                        iter.remove();} else if (key.isReadable()) {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
                        
                        try {int read = channel.read(buffer);
                            if (read == -1) {key.cancel();
                                channel.close();} else {buffer.flip();
                                debugRead(buffer);
                                buffer.clear();}
                            iter.remove();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
                            key.cancel();
                            channel.close();
                            iter.remove();}
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
}

后记

以上就是 分析 Selector 的所有内容了，心愿本篇博文对大家有所帮忙！

参考：

  • Netty API reference；
  • 黑马程序员 Netty 全套教程；

📝 上篇精讲：「NIO」（二）阻塞模式与非阻塞模式

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👍 创作不易，请多多反对；

🔥 系列专栏：摸索 Netty：源码解析与利用案例分享

正文完
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发表至： netty
2023-06-08
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