Java I/O（4）：AIO和NIO中的Selector-有解無憂

您好，我是湘王，這是我的博客園，歡迎您來，歡迎您再來～

在Java NIO的三大核心中，除了Channel和Buffer，剩下的就是Selector了，有的地方叫它選擇器，也有叫多路復用器的（比如Netty），

之前提過，資料總是從Channel讀取到Buffer，或者從Buffer寫入到Channel，單個執行緒可以監聽多個Channel——Selector就是這個執行緒背后的實作機制（所以得名Selector），

Selector通過控制單個執行緒處理多個Channel，如果應用打開了多個Channel，但每次傳輸的流量都很低，使用Selector就會很方便（至于為什么，具體到Netty中再分析），所以使用Selector的好處就顯而易見：用最少的資源實作最多的操作，避免了執行緒切換帶來的開銷，

還是以代碼為例來演示Selector的作用，新建一個類，在main()方法中輸入下面的代碼：

/**
 * NIO中的Selector
 *
 * @author xiangwang
 */
public class TestSelector {
    public static void main(String args[]) throws IOException {
        // 創建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel channel1 = ServerSocketChannel.open();
        channel1.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        channel1.configureBlocking(false);
        ServerSocketChannel channel2 = ServerSocketChannel.open();
        channel2.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9090));
        channel2.configureBlocking(false);

        // 創建一個Selector物件
        Selector selector = Selector.open();
        // 按照字面意思理解，應該是這樣的：selector.register(channel, event);
        // 但其實是這樣的：channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        // 四種監聽事件：
        // OP_CONNECT（連接就緒）
        // OP_ACCEPT（接收就緒）
        // OP_READ（讀就緒）
        // OP_WRITE（寫就緒）
        // 注冊Channel到Selector，事件一旦被觸發，監聽隨之結束
        SelectionKey key1 = channel1.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        SelectionKey key2 = channel2.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 模板代碼：在撰寫程式時，大多數時間都是在模板代碼中添加相應的業務代碼
        while(true) {
            int readyNum = selector.select();
            if (readyNum == 0) {
                continue;
            }

            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            // 輪詢
            for (SelectionKey key : selectedKeys) {
                Channel channel = key.channel();
                if (key.isConnectable()) {
                    if (channel == channel1) {
                        System.out.println("channel1連接就緒");
                    } else {
                        System.out.println("channel2連接就緒");
                    }
                } else if (key.isAcceptable()) {
                    if (channel == channel1) {
                        System.out.println("channel1接收就緒");
                    } else {
                        System.out.println("channel2接收就緒");
                    }
                }
                // 觸發后洗掉，這里不刪
                // it.remove();
            }
        }
    }
}

代碼寫好后啟動ServerSocketChannel服務，可以看到我這里已經啟動成功：

然后在網上下載一個叫做SocketTest.jar的工具（在一些工具網站下載的時候當心中毒，如果不放心，可以私信我，給你地址），雙擊打開，并按下圖方式執行：

點擊「Connect」可以看到變化：

然后點擊「Disconnect」，再輸入「9090」后，再點擊「Connect」試試：

可以看到結果顯示結果變了：

兩次連接，列印了三條資訊：說明selector的輪詢在起作用（因為Set<SelectionKey>中包含了所有處于監聽的SelectionKey），但是「接收就緒」監聽事件僅執行了一次就再不回應，如果感興趣的話你可以把OP_READ、OP_WRITE這些事件也執行一下試試看，

因為Selector是單執行緒輪詢監聽多個Channel，那么如果Selector（執行緒）之間需要傳遞資料，怎么辦呢？——Pipe登場了，Pipe就是一種用于Selector之間資料傳遞的「管道」，

先來看個圖：

可以清楚地看到它的作業方式，

還是用代碼來解釋，

/**
 * NIO中的Pipe
 *
 * @author xiangwang
 */
public class TestPipe {
    public static void main(String args[]) throws IOException {
        // 打開管道
        Pipe pipe = Pipe.open();

        // 將Buffer資料寫入到管道
        Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
        buffer.put("ByteBuffer".getBytes());
        // 切換到寫模式
        buffer.flip();
        sinkChannel.write(buffer);

        // 從管道讀取資料
        Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
        buffer = ByteBuffer.allocate(32);
        sourceChannel.read(buffer);
        System.out.println(new String(buffer.array()));

        // 關閉管道
        sinkChannel.close();
        sourceChannel.close();
    }
}

之前說過，同步指的按順序一次完成一個任務，直到前一個任務完成并有了結果以后，才能再執行后面的任務，而異步指的是前一個任務結束后，并不等待任務結果，而是繼續執行后一個任務，在所有任務都「執行」完后，通過任務的回呼函式去獲得結果，所以異步使得應用性能有了極大的提高，為了更加生動地說明什么是異步，可以來做個實驗：

通過呼叫CompletableFuture.supplyAsync()方法可以很明顯地觀察到，處于位置2的「這一步先執行」會最先顯示，然后才執行位置1的代碼，而這就是異步的具體實作，

NIO為了支持異步，升級到了NIO2，也就是AIO，而AIO引入了新的異步Channel的概念，并提供了異步FileChannel和異步SocketChannel的實作，AIO的異步SocketChannel是真正的異步非阻塞I/O，通過代碼可以更好地說明：

/**
 * AIO客戶端
 *
 * @author xiangwang
 */
public class AioClient {
    public void start() throws IOException, InterruptedException {
        AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();
        if (channel.isOpen()) {
            // socket接識訓沖區recbuf大小
            channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 128 * 1024);
            // socket發送緩沖區recbuf大小
            channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_SNDBUF, 128 * 1024);
            // 保持長連接狀態
            channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_KEEPALIVE, true);
            // 連接到服務端
            channel.connect(new InetSocketAddress(8080), null,
                    new AioClientHandler(channel));
            // 阻塞主行程
            for(;;) {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            }
        } else {
            throw new RuntimeException("Channel not opened!");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        new AioClient().start();
    }
}

/**
 * AIO客戶端CompletionHandler
 *
 * @author xiangwang
 */
public class AioClientHandler implements CompletionHandler<Void, AioClient> {
    private final AsynchronousSocketChannel channel;
    private final CharsetDecoder decoder = Charset.defaultCharset().newDecoder();
    private final BufferedReader input = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

    public AioClientHandler(AsynchronousSocketChannel channel) {
        this.channel = channel;
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, AioClient attachment) {
        throw new RuntimeException("channel not opened!");
    }
    @Override
    public void completed(Void result, AioClient attachment) {
        System.out.println("send message to server: ");
        try {
            // 將輸入內容寫到buffer
            String line = input.readLine();
            channel.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));
            // 在作業系統中的Java本地方法native已經把資料寫到了buffer中
            // 這里只需要一個緩沖區能接收就行了
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (channel.read(buffer).get() != -1) {
                buffer.flip();
                System.out.println("from server: " + decoder.decode(buffer).toString());
                if (buffer.hasRemaining()) {
                    buffer.compact();
                } else {
                    buffer.clear();
                }
                // 將輸入內容寫到buffer
                line = input.readLine();
                channel.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));
            }
        } catch (IOException | InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
 * AIO服務端
 *
 * @author xiangwang
 */
public class AioServer {
    public void start() throws InterruptedException, IOException {
        AsynchronousServerSocketChannel channel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        if (channel.isOpen()) {
            // socket接受緩沖區recbuf大小
            channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 4 * 1024);
            // 埠重用，防止行程意外終止，未釋放埠，重啟時失敗
            // 因為直接殺行程，沒有顯式關閉套接字來釋放埠，會等待一段時間后才可以重新use這個關口
            // 解決辦法就是用SO_REUSEADDR
            channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_REUSEADDR, true);
            channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        } else {
            throw new RuntimeException("channel not opened!");
        }
        // 處理client連接
        channel.accept(null, new AioServerHandler(channel));
        System.out.println("server started");
        // 阻塞主行程
        for(;;) {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        AioServer server = new AioServer();
        server.start();
    }
}

/**
 * AIO服務端CompletionHandler
 *
 * @author xiangwang
 */
public class AioServerHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void> {
    private final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel;
    private final CharsetDecoder decoder = Charset.defaultCharset().newDecoder();
    private final BufferedReader input = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

    public AioServerHandler(AsynchronousServerSocketChannel serverChannel) {
        this.serverChannel = serverChannel;
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        // 處理下一次的client連接
        serverChannel.accept(null, this);
    }
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Void attachment) {
        // 處理下一次的client連接，類似鏈式呼叫
        serverChannel.accept(null, this);
        try {
            // 將輸入內容寫到buffer
            String line = input.readLine();
            result.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));
            // 在作業系統中的Java本地方法native已經把資料寫到了buffer中
            // 這里只需要一個緩沖區能接收就行了
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (result.read(buffer).get() != -1) {
                buffer.flip();
                System.out.println("from client: " + decoder.decode(buffer).toString());
                if (buffer.hasRemaining()) {
                    buffer.compact();
                } else {
                    buffer.clear();
                }
                // 將輸入內容寫到buffer
                line = input.readLine();
                result.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));
            }
        } catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

執行測驗后顯示，不管是在客戶端還是在服務端，讀寫完全是異步的，

感謝您的大駕光臨！咨詢技術、產品、運營和管理相關問題，請關注后留言，歡迎騷擾，不勝榮幸～

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