这次我们开讲非阻塞I/O中的Selector,它需要配合非阻塞的TCP和UDP来使用。首先我们先简单讲一下TCP和UDP的非阻塞通道。

非阻塞I/O通道

在上代码前我们先讲解一些最基本的知识。TCP和UDP共对应着三种通道,分别是:SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel 。它们都可以通过channel.open()方法来初始化;同时对于SocketChannel来说,当一个新连接到达ServerSocketChannel时,也会被创建(在代码中会有说明)。而且它们使用结束后都需要被关闭。

首先让我们来看看SocketChannel的基本操作

//通过open()打开SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//绑定主机端口
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 18888));
//设置成非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
while(! socketChannel.finishConnect() ){
//做点其他事
}
// 利用SocketChannel进行数据操作

下面再来说说,如何用SocketChannel进行数据操作。它的数据读写和其他通道的读写方式是完全一致的,只是要注意的是,在非阻塞模式下,read()和write()没有进行任何操作就返回了,所以要在循环中调用,并注意返回值。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
while(socketChannel.read(buf)!=-1) {
buf.flip();
while(buf.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buf);
}
buf.clear();
}

SocketChannel相当于传统I/O中的Socket,而ServerSocketChannel相当于ServerSocket;而且整体形式都是一致的,都是利用多路复用思想,在服务器端收到连接后,产生一个专门的Socket,与客户端进行数据传输。具体形式就是"serverSocketChannel.accept()"在收到连接后,会返回一个SocketChannel,具体形式见代码

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定主机端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true) {
//accept()在非阻塞模式中,若建立连接,则返回SocketChannel;否则返回null
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel != null) {
// 利用SocketChannel进行数据操作
}
}

而DatagramChannel则是跟DatagramPacket十分相似的,只不过数据包由当初的byte数组换成了现在的ByteBuffer

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
//绑定主机端口
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
channel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
/*
* 1.因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像TCP那样读取和写入,它是发送和接收数据包。
* 2.receive()在非阻塞模式中,若没有收到数据包,则返回null;
* 若收到了,则将内容写入byteBuffer,将发送方的SocketAddress返回(其中包含IP和端口)
* 3.如果Buffer容不下收到的数据,多出的数据将被丢弃
*/
while(channel.receive(buf)==null){
//做点其他事
}
buf.flip();
//指定接收方的SocketAddress
channel.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

DatagramChannel还有一个特殊的地方,就是它可以“连接”到网络中的特定地址的,十分类似于一个TCP连接。但由于UDP是无连接的,连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel ,让其只能从特定地址收发数据。想实现这种功能,编写方式和TCP十分类似,就不写了,去看文档吧,讲解的十分清楚。

Selector

现在开始进入我们今天的主题Selector

其实前言中已经简单的讲解过什么是Selector以及为什么要使用Selector了。这里就不再重复了(我猜你已经忘了,回去再看一眼吧),咱们还是从最基础的创建开讲。

Selector的创建是通过调用Selector.open()方法完成的(这部分都是用open()创建的)

Selector注册

说完创建,就得说说如何让Channel和Selector配合使用了?一句话:“将channel注册到selector上”这个动作是通过SelectionKey channel.register(Selector sel,int ops,Object att)方法完成的。

这里要强调一点,就是调用register的channel必须是非阻塞的。这就将FileChannel排除在外(充话费送的就是不行)。

现在讲解register()中每一个参数的含义。第一个参数,就是要将channel注册到哪个Selector。第二个参数,它是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣,可以监听四种不同类型的事件,分别是Connect、Accept、Read和Write;它们四个分别代表的含义是:

  • Connect(SelectionKey.OP_CONNECT):一个channel成功连接到另一个服务器——“连接就绪”
  • Accept(SelectionKey.OP_ACCEPT):一个ServerSocketchannel准备好接收新进入的连接——“接收就绪”
  • Read(SelectionKey.OP_READ):一个通道的可读数据已准备好——“读就绪”
  • Write(SelectionKey.OP_WRITE):一个通道的可写数据已准备好——“写就绪”

P.S:圆括号中的是要填在第二个参数ops位置上的int常量。我们把这四种叫做“感兴趣事件”,后文会多次提到这个概念

如果你对不止一种事件感兴趣,那么可以用“位或”操作符将常量连接起来,如下:

int ops = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

register()方法的第三个参数为附加对象,它可有可无,是一个Object对象,它可以作为每个通道的标识符,用以区别注册在同一个Selector上的其他通道;也可以附加其他对象。

最后再来看看register()方法的返回值。返回值为SelectionKey对象,这是一个重要的对象,接下来我们就主要讲解SelectionKey。

SelectionKey

当Selector发现某些channel中的感兴趣事件发生了,就会返回相对应channel的SelectionKey对象。

SelectionKey对象包含着许多信息。比如所属通道的channel对象,通过selectionKey.channel()方法就可以得到;还有通道的附加对象,通过selectionKey.attachment()方法就可以得到;还可以得到通道那个感兴趣时间发生了通过下面四种方法获得:

  • boolean selectionKey.isAcceptable()
  • boolean selectionKey.isConnectable()
  • boolean selectionKey.isReadable()
  • boolean selectionKey.isWritable()

还可以获得更多信息,具体内容可以去看文档

Selector.select()

之前的创建、注册等准备都完成之后,就可以坐等准备好的数据到来了。这时候需要知道有多少个通道感兴趣事件已经准备好了。这时候有下面三个方法帮你完成这项任务,分别是

  • int selector.select()
  • int selector.select(long timeout)
  • int selector.selectNow()

首先讲一下这三个方法准确的作用,它们都是返回有多少个通道已经变成就绪状态。它们的区别是:

  • select()是阻塞的,它会一直等到有通道准备就绪、
  • select(long timeout)也是阻塞的,它会一直等到有通道准备就绪或者已经超出给定的timeout时间并返回0。
  • selectNow()是非阻塞的,如果没有通道就绪就直接返回0。

Selector.selectedKeys()

通过select()方法知道有若干个通道准备就绪,就可以调用下面的方法来返回相应若干个通道的selectedKey了

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys()

获得selectedKeys后,你就可以进行相应的处理了。需要强调的是,每次处理完一个selectionKey之后需要将它在Set中删除,这样下次它准备好以后就可以再次添加到Set中来。

现在关于Selector的知识基本上就讲解完了,让我们在一个服务器端、客户端收发字符串的例子中结束本次的讲解吧。

客户端

public class HansClient {
// 定义检测SocketChannel的Selector对象
private Selector selector = null;
// 客户端SocketChannel
private SocketChannel sc = null; public void init() throws IOException {
selector = Selector.open();
InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 30000);
// 调用open静态方法创建连接到指定主机的SocketChannel
sc = SocketChannel.open(isa);
// 设置该sc以非阻塞方式工作
sc.configureBlocking(false);
// 将SocketChannel对象注册到指定Selector
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 启动读取服务器端数据的线程
new ClientThread().start();
// 创建键盘输入流
Scanner scan = new Scanner(System.in);
while (scan.hasNextLine()) {
// 读取键盘输入
String line = scan.nextLine();
// 将键盘输入的内容输出到SocketChannel中
sc.write(StandardCharsets.UTF_8.encode(line));
}
} // 定义读取服务器数据的线程
private class ClientThread extends Thread {
public void run() {
try {
while (selector.select() > 0) {
// 遍历每个有可用IO操作Channel对应的SelectionKey
for (SelectionKey sk : selector.selectedKeys()) {
// 删除正在处理的SelectionKey
selector.selectedKeys().remove(sk);
// 如果该SelectionKey对应的Channel中有可读的数据
if (sk.isReadable()) {
// 使用NIO读取Channel中的数据
SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
String content = "";
while (sc.read(buff) > 0) {
sc.read(buff);
buff.flip();
content += StandardCharsets.UTF_8.decode(buff);
}
// 打印输出读取的内容
System.out.println("聊天信息:" + content);
}
}
}
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
} public static void main(String[] args) throws IOException {
new HansClient().init();
}
}

服务器端

public class HansServer {
// 用于检测所有Channel状态的Selector
private Selector selector = null; public void init() throws IOException {
selector = Selector.open();
// 通过open方法来打开一个未绑定的ServerSocketChannel实例
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 30000);
// 将该ServerSocketChannel绑定到指定IP地址
server.socket().bind(isa);
// 设置ServerSocket以非阻塞方式工作
server.configureBlocking(false);
// 将server注册到指定Selector对象
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (selector.select() > 0) {
// 依次处理selector上的每个已选择的SelectionKey
for (SelectionKey sk : selector.selectedKeys()) {
// 从selector上的已选择Key集中删除正在处理的SelectionKey
selector.selectedKeys().remove(sk);
// 如果sk对应的通道包含客户端的连接请求
if (sk.isAcceptable()) {
// 调用accept方法接受连接,产生服务器端对应的SocketChannel
SocketChannel sc = server.accept();
// 设置采用非阻塞模式
sc.configureBlocking(false);
// 将该SocketChannel也注册到selector
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
// 如果sk对应的通道有数据需要读取
if (sk.isReadable()) {
// 获取该SelectionKey对应的Channel,该Channel中有可读的数据
SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
// 定义准备执行读取数据的ByteBuffer
ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
String content = "";
// 开始读取数据
try {
while (sc.read(buff) > 0) {
buff.flip();
content += StandardCharsets.UTF_8.decode(buff);
}
// 打印从该sk对应的Channel里读取到的数据
System.out.println("=====" + content);
}
// 如果捕捉到该sk对应的Channel出现了异常,即表明该Channel
// 对应的Client出现了问题,所以从Selector中取消sk的注册
catch (IOException ex) {
// 从Selector中删除指定的SelectionKey
sk.cancel();
if (sk.channel() != null) {
sk.channel().close();
}
}
// 如果content的长度大于0,即聊天信息不为空
if (content.length() > 0) {
// 遍历该selector里注册的所有SelectKey
for (SelectionKey key : selector.keys()) {
// 获取该key对应的Channel
Channel targetChannel = key.channel();
// 如果该channel是SocketChannel对象
if (targetChannel instanceof SocketChannel) {
// 将读到的内容写入该Channel中
SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
dest.write(StandardCharsets.UTF_8.encode(content));
}
}
}
}
}
}
} public static void main(String[] args) throws IOException {
new HansServer().init();
}
}

本次讲解就到这里了,本系列的讲解也就到这里了。如果你能看到这里我真的很开心。有任何事都可以与我讨论。

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