Java IO--NIO（二）

在我的上一篇文章JavaNIO详解（一）中介绍了关于标准输入输出NIO相关知识， 本篇将重点介绍基于网络编程NIO（异步IO）。

异步IO

异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法。通常，在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样， write()调用将会阻塞直至数据能够写入，关于同步的IO请参考另一篇文章Java IO。

另一方面，异步 I/O 调用不但不会阻塞，相反，您可以注册对特定 I/O 事件诸如数据可读、新连接到来等等，而在发生这样感兴趣的事件时，系统将会告诉您。

异步 I/O 的一个优势在于，它允许您同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，您可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

Selector

在我的JavaNIO详解（一）中已经详细介绍了Java NIO三个核心对象中的Buffer和Channel，现在我们就重点介绍一下第三个核心对象Selector。Selector是一个对象，它可以注册到很多个Channel上，监听各个Channel上发生的事件，并且能够根据事件情况决定Channel读写。这样，通过一个线程管理多个Channel，就可以处理大量网络连接了。

采用Selector模式的的好处

有了Selector，我们就可以利用一个线程来处理所有的channels。线程之间的切换对操作系统来说代价是很高的，并且每个线程也会占用一定的系统资源。所以，对系统来说使用的线程越少越好。

但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

下面这幅图展示了一个线程处理3个 Channel的情况：

如何创建一个Selector

异步 I/O 中的核心对象名为 Selector。Selector 就是您注册对各种 I/O 事件兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉您所发生的事件。

Selector selector = Selector.open();

然后，就需要注册Channel到Selector了。

如何注册Channel到Selector

为了能让Channel和Selector配合使用，我们需要把Channel注册到Selector上。通过调用 channel.register（）方法来实现注册：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key =channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

注意，注册的Channel 必须设置成异步模式 才可以,，否则异步IO就无法工作，这就意味着我们不能把一个FileChannel注册到Selector，因为FileChannel没有异步模式，但是网络编程中的SocketChannel是可以的。

需要注意register()方法的第二个参数，它是一个“interest set”,意思是注册的Selector对Channel中的哪些时间感兴趣，事件类型有四种：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经 Ready(就绪)。所以，某个Channel成功连接到另一个服务器称为 Connect Ready。一个ServerSocketChannel准备好接收新连接称为 Accept Ready，一个有数据可读的通道可以说是 Read Ready，等待写数据的通道可以说是Write Ready。

上面这四个事件对应到SelectionKey中的四个常量：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对多个事件感兴趣，可以通过or操作符来连接这些常量：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE; 

关于SelectionKey

请注意对register()的调用的返回值是一个SelectionKey。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。SelectionKey中包含如下属性：

• The interest set
• The ready set
• The Channel
• The Selector
• An attached object (optional)

Interest Set

就像我们在前面讲到的把Channel注册到Selector来监听感兴趣的事件，interest set就是你要选择的感兴趣的事件的集合。你可以通过SelectionKey对象来读写interest set:

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;   

通过上面例子可以看到，我们可以通过用AND 和SelectionKey 中的常量做运算，从SelectionKey中找到我们感兴趣的事件。

Ready Set

ready set 是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选Selection之后，你应该会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测Channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel 和Selector

我们可以通过SelectionKey获得Selector和注册的Channel：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector(); 

Attach 一个对象

可以将一个对象或者更多信息attach 到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加 与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如： 
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“Read Ready”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道：

• int select()： 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪
• int select(long timeout)：select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)
• int selectNow()： 不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回，此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道处于就绪状态。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，它就会返回一个数值，表示一个或多个通道已经就绪，然后你就可以通过调用selector.selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合来获得就绪的Channel。请看演示方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

当你通过Selector注册一个Channel时，channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象，这个对象就代表了你注册的Channel。这些对象可以通过selectedKeys()方法获得。你可以通过迭代这些selected key来获得就绪的Channel，下面是演示代码：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
    // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {
    // a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {
    // a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {
    // a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}

这个循环遍历selected key的集合中的每个key，并对每个key做测试来判断哪个Channel已经就绪。

请注意循环中最后的keyIterator.remove()方法。Selector对象并不会从自己的selected key集合中自动移除SelectionKey实例。我们需要在处理完一个Channel的时候自己去移除。当下一次Channel就绪的时候，Selector会再次把它添加到selected key集合中。

SelectionKey.channel()方法返回的Channel需要转换成你具体要处理的类型，比如是ServerSocketChannel或者SocketChannel等等。

WakeUp（）和Close（）

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”

当用完Selector后调应道掉用close()方法，它将关闭Selector并且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

一个完整的例子

下面通过一个MultiPortEcho的例子来演示一下上面整个过程。

public class MultiPortEcho {
 private int ports[];
 private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
 public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {
      this.ports = ports;
      go();
 }
 private void go() throws IOException {
      // 1. 创建一个selector，select是NIO中的核心对象
      // 它用来监听各种感兴趣的IO事件
      Selector selector = Selector.open();
      // 为每个端口打开一个监听, 并把这些监听注册到selector中
      for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
           //2. 打开一个ServerSocketChannel
           //其实我们没监听一个端口就需要一个channel
           ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
           ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞
           ServerSocket ss = ssc.socket();
           InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
           ss.bind(address);//监听一个端口
           //3. 注册到selector
           //register的第一个参数永远都是selector
           //第二个参数是我们要监听的事件
           //OP_ACCEPT是新建立连接的事件
           //也是适用于ServerSocketChannel的唯一事件类型
           SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
           System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
      }
      //4. 开始循环，我们已经注册了一些IO兴趣事件
      while (true) {
           //这个方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时
           // select() 方法将返回所发生的事件的数量。
           int num = selector.select();
           //返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个 集合
           Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
           //我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件
           //对于每一个 SelectionKey，您必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。
           Iterator it = selectedKeys.iterator();
           while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
                //5. 监听新连接。程序执行到这里，我们仅注册了 ServerSocketChannel
                //并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点
                //我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法，并检查发生了什么类型的事件
                if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
                     //6. 接收了一个新连接。因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待
                     //所以可以安全地接受它；也就是说，不用担心 accept() 操作会阻塞
                     ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                     SocketChannel sc = ssc.accept();
                     sc.configureBlocking(false);
                     // 7. 讲新连接注册到selector。将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的
                     //而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据，所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上
                     SelectionKey newKey = sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                     it.remove();
                     System.out.println("Got connection from " + sc);
                } else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {
                     // Read the data
                     SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                     // Echo data
                     int bytesEchoed = 0;
                     while (true) {
                          echoBuffer.clear();
                          int r = sc.read(echoBuffer);
                          if (r <= 0) {
                               break;
                          }
                          echoBuffer.flip();
                          sc.write(echoBuffer);
                          bytesEchoed += r;
                     }
                     System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);
                     it.remove();
                }
           }
           // System.out.println( "going to clear" );
           // selectedKeys.clear();
           // System.out.println( "cleared" );
      }
 }
 static public void main(String args2[]) throws Exception {
      String args[]={"9001","9002","9003"};
      if (args.length <= 0) {
           System.err.println("Usage: java MultiPortEcho port [port port ...]");
           System.exit(1);
      }
      int ports[] = new int[args.length];
      for (int i = 0; i < args.length; ++i) {
           ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);
      }
      new MultiPortEcho(ports);
 }
 }