NIO：Selector 详解

示例程序TCPEchoServerSelector中展示了Selector的基本用法。在此，我们将对其进行更加详细的介绍。

 

Selector: 创建和关闭

 

static Selector open()

 

boolean isOpen()

 

void close()

 

调用Selector的open()工厂方法可以创建一个选择器实例。选择器的状态是"打开"或"关闭"的。创建时选择器的状态是打开的，并保持该状态，直到调用close()方法通知系统其务已经完成。可以调用isOpen()方法来检查选择器是否已经关闭。

 

5.6.1在信道中注册

 

我们已经知道，每个选择器都有一组与之关联的信道，选择器对这些信道上"感兴趣的"I/O操作进行监听。Selector与Channel之间的关联由一个SelectionKey实例表示。（注意一个信道可以注册多个Selector实例，因此可以有多个关联的SelectionKey实例）SelectionKey维护了一个信道上感兴趣的操作类型信息，并将这些信息存放在一个int型的位（bitmap）中，该int型数据的每一位都有相应的含义。

 

 SelectionKey类中的常量定义了信道上可能感兴趣的操作类型，每个这种常量都是只有一位设置为1的位掩码（bitmask）（见第3.1.3节） 

 

SelectionKey: 兴趣操作集

 

static int OP_ACCEPT

 

static int OP_CONNECT

 

static int OP_READ

 

static int OP_WRITE

 

int interestOps()

 

SelectionKey interestOps(int ops)

 

通过对OP_ ACCEPT，OP_CONNECT，OP_READ以及OP_WRITE中适当的常量进行按位OR，我们可以构造一个位向量来指定一组操作。例如，一个包含读和写的操作集由表达式（OP_READ | OP_WRITE）来指定。不带参数的interestOps()方法将返回一个int型位图，该位图中设置为1的每一位都指示了信道上需要监听的一种操作。另一个方法以一个位图为参数，指示了应该监听信道上的哪些操作。重点提示：任何对key（信道）所关联的兴趣操作集的改变，都只在下次调用了select()方法后才会生效。

 

SocketChannel, Server SocketChannel:注册Selector

 

SelectionKey register(Selector sel, int ops)

 

SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object

 

attachment)

 

int validOps()

 

boolean isRegistered()

 

SelectionKey keyFor(Selector sel)

 

调用信道的register()方法可以将一个选择器注册到该信道。在注册过程中，通过存储在int型数据中的位图来指定该信道上的初始兴趣操作集（见上文的"SelectionKey：兴趣操作集"）。register()方法将返回一个代表了信道和给定选择器之间的关联的SelectionKey实例。validOps()方法用于返回一个指示了该信道上的有效I/O操作集的位图。对于ServerSocketChannel来说，accept是惟一的有效操作，而对于SocketChannel来说，有效操作包括读、写和连接。对于DatagramChannel，只有读写操作是有效的。一个信道可能只与一个选择器注册一次，因此后续对register()方法的调用只是简单地更新该key所关联的兴趣操作集。使用isRegistered()方法可以检查信道是否已经注册了选择器。keyFor()方法与第一次调用register()方法返回的是同一个SelectionKey实例，除非该信道没有注册给定的选择器。

 

以下代码注册了一个信道，支持读和写操作：

 

SelectionKey key = clientChannel.register(selector,

 

SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

 

图5.1展示了一个选择器，其键集中包含了7个代表注册信道的键：两个在端口4000和4001上的服务器信道，以及从服务器信道创建的5个客户端信道：

 

SelectionKey: 获取和取消

 

Selector selector()

 

SelectableChannel channel()

 

void cancel()

 

键关联的Selector实例和Channel实例可以分别使用该键的selector()和channel()方法获得。cancel()方法用于（永久性地）注销该键，并将其放入选择器的注销集（canceled set）中（图5.1）。在下一次调用select()方法时，这些键将从该选择器的所有键集中移除，其关联的信道也将不再被监听（除非它又重新注册）。

 

 

 

（点击查看大图）图5.1：Selector与其关联的键集

 

Selected Key Set:   选择键集； Cancelled Key Set：注销键集； Key Set：键集；Interest Sets：

 

兴趣操作集

 

 5.6.2选取和识别准备就绪的信道

 

 在信道上注册了选择器，并由关联的键指定了感兴趣的I/O操作集后，我们就只需要坐下来等待I/O了。这要使用选择器来完成。

 

Selector: 等待信道准备就绪

 

int select()

 

int select(long timeout)

 

int selectNow()

 

Selector wakeup()

 

select()方法用于从已经注册的信道中返回在感兴趣的I/O操作集上准备就绪的信道总数。（例如，兴趣操作集中包含OP_READ的信道有数据可读，或包含OP_ACCEPT的信道有连接请求待接受。）以上三个select方法的惟一区别在于它们的阻塞行为。无参数的select方法会阻塞等待，直到至少有一个注册信道中有感兴趣的操作准备就绪，或有别的线程调用了该选择器的wakeup()方法（这种情况下select方法将返回0）。以超时时长作为参数的select方法也会阻塞等待，直到至少有一个信道准备就绪，或等待时间超过了指定的毫秒数（正数），或者有另一个线程调用其wakeup()方法。selectNow()方法是一个非阻塞版本：它总是立即返回，如果没有信道准备就绪，则返回0。wakeup()方法可以使当前阻塞（也就是说在另一个线程中阻塞）的任何一种select方法立即返回；如果当前没有select方法阻塞，下一次调用这三种方法的任何一个都将立即返回。

 

 选择之后，我们需要知道哪些信道准备好了特定的I/O操作。每个选择器都维护了一个已选键集（selected-key set），与这些键关联的信道都有即将发生的特定I/O操作。通过调用selectedKeys()方法可以访问已选键集，该方法返回一组SelectionKey。我们可以在这组键上进行迭代，分别处理等待在每个键关联的信道上的I/O操作。

 

Iterator<SelectionKey> keyIter =

 

selector.selectedKeys().iterator();

 

while (keyIter.hasNext()) {

 

SelectionKey key = keyIter.next();

 

// ...Handle I/O for key's channel...

 

keyIter.remove();

 

}

 

 图5.1中的选择器的已选键集中有两个键：K2和K5。

 

Selector: 获取键集

 

Set<SelectionKey> keys()

 

Set<SelectionKey> selectedKeys() 

 

以上方法返回选择器的不同键集。keys()方法返回当前已注册的所有键。返回的键集是不可修改的：任何对其进行直接修改的尝试（如，调用其remove()方法）都将抛出UnsupportedOperationException异常。selectedKeys()方法用于返回上次调用select()方法时，被"选中"的已准备好进行I/O操作的键。重要提示：selectedKeys()方法返回的键集是可修改的，实际上在两次调用select()方法之间，都必须"手工"将其清空。换句话说，select方法只会在已有的所选键集上添加键，它们不会创建新的键集。

 

所选键集指示了哪些信道当前可以进行I/O操作。对于选中的每个信道，我们需要知道它们各自准备好的特定I/O操作。除了兴趣操作集外，每个键还维护了一个即将进行的I/O操作集，称为就绪操作集（ready set）。 

 

SelectionKey: 查找就绪的I/O操作

 

int readyOps()

 

boolean isAcceptable()

 

boolean isConnectable()

 

boolean isReadable()

 

boolean isValid()

 

boolean isWritable()

 

对于给定的键，可以使用readyOps()方法或其他指示方法来确定兴趣集中的哪些I/O操作可以执行。readyOps()方法以位图的形式返回所有准备就绪的操作集。其他方法用于分别检查各种操作是否可用。 

 

例如，查看键关联的信道上是否有正在等待的读操作，可以使用以下代码：

 

(key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) != 0或key.isReadable()

 

选择器的已选键集中的键，以及每个键中准备就绪的操作，都是由    select()方法来确定的。随着时间的推进，这些信息可能会过时。其他线程可能会处理准备就绪的I/O操作。同时，键也不是永远存在的。当其关联的信道或选择器关闭时，键也将失效。通过调用其cancel()方法可以显示地将键设置为无效。调用其isValid()方法可以检测一个键的有效性。无效的键将添加到选择器的注销键集中，并在下次调用任一种形式的                select()方法或    close()方法时从键集中移除。（当然，从键集中移除键意味着与它关联的信道也不再受监听。）

 

5.6.3信道附件

 

当一个信道准备好进行I/O操作时，通常还需要额外的信息来处理请求。例如，在前面的回显协议中，当客户端信道准备好写操作时，就需要有数据可写。当然，我们所需要的可写数据是由之前同一信道上的读操作收集的，但是在其可写之前，这些数据存放在什么地方呢？另一个例子是第3章中的成帧过程。如果一个消息一次传来了多个字节，我们需要保存已接收的部分消息，直到完整个消息接收完成。这两种情况都需要维护每个信道的状态信息。然而，我们非常幸运！SelectionKey通过使用附件使保存每个信道的状态变得容易。

 

SelectionKey: 查找准备就绪的I/O操作

 

Object attach(Object ob)

 

Object attachment()

 

每个键可以有一个附件，数据类型只能是Object类。附件可以在信道第一次调用register()方法时与之关联，或者后来再使用          attach()方法直接添加到键上。通过         SelectionKey   的attachment()方法可以访问键的附件。 

 

5.6.4 Selector小结

 

总的来说，使用Selector的步骤如下：

 

I.创建一个Selector实例。

 

II.将其注册到各种信道，指定每个信道上感兴趣的I/O操作。

 

III.重复执行：

 

1.调用一种select方法。

 

2.获取选取的键列表。

 

3.对于已选键集中的每个键，

 

a.获取信道，并从键中获取附件（如果合适的话）

 

b.确定准备就绪的操作并执行。如果是accept操作，将接受的信道设置为非阻塞模式，

 

并将其与选择器注册。

 

c.如果需要，修改键的兴趣操作集

 

d.从已选键集中移除键

 

如果选择器告诉了你什么时候I/O操作准备就绪，你还需要非阻塞I/O吗？答案是肯定的。信道在已选键集中的键并不能确保非阻塞I/O，因为调用了select()方法后，键集信息可能会过时。另外，阻塞式写操作会阻塞等待直到写完所有的字节，而就绪集中的OP_WRITE仅表示至少有一个字节可写。实际上，只有非阻塞模式的信道才能与选择器进行注册：如果信道在阻塞模式，SelectableChannel类的register()方法将抛出IllegalBlockingModeException异常。