Netty入门到超神系列-Java NIO 三大核心(selector,channel,buffer)

2023-07-31 191

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简介： 理解Selector 和 ChannelSelector 选择器，也叫多路复用器，可以同时处理多个客户端连接，多路复用器采用轮询机制来选择有读写事件的客户端链接进行处理。通过 Selector ，一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。由于它的读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。

前言

上一章节我们理解了Java NIO三大核心，以及重点讲解了Buffer的原理和几个使用场景，其中也用到了channel。这一章我们来理解一下selector,结合channel来做一个c/s通信。

理解Selector 和 Channel

Selector 选择器，也叫多路复用器，可以同时处理多个客户端连接，多路复用器采用轮询机制来选择有读写事件的客户端链接进行处理。

通过 Selector ，一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

由于它的读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。

这里在整理一下它的工作原理，如图：

Selector ：多路复用器(也叫选择器)的作用就是提供给SocketChannel通道来注册，然后Selector会轮询的去监听通道通道的读写事件从而做出相应的IO处理，它的工作流程如下：

首先需要创建一个ServerSocketChannel，它类似于(ServerSocket)需要指定一个监听的IP和Port。需要注意的是ServerSocketChannel为了兼容BIO，默认是阻塞的，可以通过ServerSocketChannel#configureBlocking(false)来指定为NIO模式。
通过ServerSocketChannel 可以获取一个客户端的SocketChannel ,客户端的SocketChannel 需要注册到Selector上,然后每个通道都会对应一个SelectionKey
选择器可以通过Selector.open() 创建，然后将 ServerSocketChannel 注册给Selector 。选择器的 Selector#select() 方法可以选择有事件的通道(SocketChannel )，并返回已就绪的通道数量.事件类型包括：“连接”，“接收” ，“读”,“写”。
如果 Selector#select() 返回值大于0代表某些通道有事件发生，可以通过 selector.selectedKeys() 来得到所有有事件通道的SelectionKey。
然后可以通过SelectionKey方向拿到SocketChannel ，从而将SocketChannel 中的数据读取到Buffer中，完成IO操作。

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 是服务端用来用来监听客户端Socket链接，通过accept方法可以获取客户端SocketChannel，从而将 SocketChannel 注册到Selector，相关方法如下

open : 创建一个 ServerSocketChannel 通道
bind(SocketAddress local）：设置服务器端监听的地址和端口号
configureBlocking(boolean block) ：设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
accept() ：接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象SocketChannel
register(Selector sel, int ops)：把当前通道注册到选择器，并设置监听事件

SocketChannel

一个客户端链接服务端就会产生通道：ServerChannel ，需要注册到Selector，被Selector监听通道的读写事件。ServerChannel 负责具体的读写，把缓冲区的数据写入通道，或者把通道中的数据写入缓冲区。

open() ：得到一个 SocketChannel 通道
configureBlocking(boolean block)：设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
connect(SocketAddress remote) ：连接远程服务器，通过SocketAddress 指定IP和端口
finishConnect()：如果connect连接失败，就要通过finishConnect方法完成连接操作
write(ByteBuffer src) ：把ByteBuffer中的数据，往通道里写
read(ByteBuffer dst) ：从通道里读数据，写入ByteBuffer
register(Selector sel, int ops, Object att): 把该通道注册到selector,并设置监听事件(OPS)，最后一个参数可以设置共享数据，该方法会返回一个 SelectionKey ，这个key对应了该通道。
close() ：关闭通道

SelectionKey

当 ServerChannel 注册到Selector就会产生SelectionKey ，通过SelectionKey可以反向获得SocketChannel通道对象，从而进行IO读写操作。

selector(): 通过SelectionKey 获取得到与之关联的 Selector 对象
channel()：得到与之关联的通道
attachment()：得到与之关联的共享数据
interestOps(int ops)：设置或改变监听事件
isAcceptable()：是否可以 accept，“接收就绪”事件
isReadable()：是否可以读
isWritable()：是否可以写

事件包括：

SelectionKey.OP_CONNECT : 值16，连接就绪，比如：一个channel连接到一个服务器SelectionKey.OP_ACCEPT：值8，接收就绪，比如：ServerSocketChannel准备好接入新的连接SelectionKey.OP_READ：值1，“读就绪”，通道有可以读数据可以说是SelectionKey.OP_WRITE：值4，“写就绪”，等待写数据的通道可以说

Selector

负责采用轮询方式监听通道，当通道有读写事件就进行IO操作。

open() ：得到一个选择器对象
select(long timeout)：选择有事件的通道，将其对应的 SelectionKey 加入到内部集合中，返回通道的数量
selectedKeys() ：从内部集合中得到所有有事件 SelectionKey
keys() : 从内部集合中得到所有SelectionKey
close：关闭选择器

综合案例

使用selector ，ServerSocketChannel，SocketChannel完成一个 C/S 案例，

服务端代码

//通道@TestpublicvoidserverSocketChannelTest() throwsIOException {
//创建服务端通道ServerSocketChannelserverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
//socket监听地址和端口SocketAddresssocketAddress=newInetSocketAddress("127.0.0.1",5000);
//和某个SocketAddress绑定serverSocketChannel.bind(socketAddress);
//NIO默认采用阻塞，为了兼容BIOserverSocketChannel.configureBlocking(false);
//创建选择器Selectorselector=Selector.open();
//通道注册到选择器,事件类型为：OP_ACCEPT “接受”serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//==选择器轮询=======================================================================while(true){
//select,选择有事件的通道，返回有事件发生通道的key的个数  ,超时时间 1sif(selector.select(1000) ==0){
System.out.println("无连接...轮询等待...\");continue;
       }
//有事件发生,得到有事件的通道的key的集合Set<SelectionKey>selectionKeys=selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey>iterator=selectionKeys.iterator();
//遍历key的集合while (iterator.hasNext()){
//拿到每个通道的keySelectionKeykey=iterator.next();
//如果当前通道事件是： OP_ACCEPT ,就注册通道if(key.isAcceptable()){
//接收一个socketChannelSocketChannelsocketChannel=serverSocketChannel.accept();
System.out.println("客户端链接成功...");
socketChannel.configureBlocking(false);
//把socketChannel注册到选择器 ，并给通道绑定一个buffersocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocate(1024));
           }
//如果通道事件是： OP_READ,说明通道有数据if(key.isReadable()){
//通过key得到SocketChannelSocketChannelchannel= (SocketChannel)key.channel();
//得到channel绑定的bufferByteBufferbyteBuffer= (ByteBuffer)key.attachment();
//从通道把数据读取到bufferchannel.read(byteBuffer);
System.out.println(newString(byteBuffer.array()));
           }
//删除当前keyiterator.remove();
       }
   }
}

客户端代码

//通道@TestpublicvoidsocketChannelTest() throwsIOException {
//创建一个SocketChannelSocketChannelsocketChannel=SocketChannel.open();
//使用非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);
//链接的地址和端口InetSocketAddressinetSocketAddress=newInetSocketAddress("127.0.0.1", 5000);
//尝试链接，如果使用的异步，那么需要使用 socketChannel.finishConnect() 来确保连接成功。if(!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){
//如果没链接成功，会通过while循环，直到 finishConnect 链接成功，跳出whilewhile(!socketChannel.finishConnect()){
System.out.println("还未完成链接...等待中...");
            }
        }
//链接成功，把数据写出去socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你好".getBytes()));
System.out.println("向服务端发送数据...");
//防止客户端结束，所以使用read()阻塞System.in.read();
    }

总结

本篇文章介绍了Selector ,ServerSocketChannel ，SocketChannel的作用，场景API，和三种的工作原理，并通过一个C/S综合案例来演示三者之间的关系。

Netty入门到超神系列-Java NIO 三大核心(selector,channel,buffer)

前言

理解Selector 和 Channel

ServerSocketChannel

SocketChannel

SelectionKey

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总结

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