引言：
之前我们使用BIO进行socket编程时，accept方法会一直阻塞，直到有客户端请求的到来，并返回socket进行相应的处理。整个过程是流水线的，处理完一个请求，才能去获取并处理后面的请求，当然也可以把获取socket和处理socket的过程分开，一个线程负责accept，一个线程池负责处理请求。
但NIO提供了更好的解决方案，采用选择器（Selector）返回已经准备好的socket，并按顺序处理，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）来进行数据的传输。之前我们已经介绍了Buffer和Channel，那么下面我们来介绍在网络编程中非常重要的Selector
Selector
selector，具体是一个什么样的东西？
想想一个场景：在一个养鸡场，有这么一个人，每天的工作就是不停检查几个特殊的鸡笼，如果有鸡进来，有鸡出去，有鸡生蛋，有鸡生病等等，就把相应的情况记录下来，如果鸡场的负责人想知道情况，只需要询问那个人即可。
在这里，这个人就相当Selector，每个鸡笼相当于一个SocketChannel，每个线程通过一个Selector可以管理多个SocketChannel。
为了实现Selector管理多个SocketChannel，必须将具体的SocketChannel对象注册到Selector，并声明需要监听的事件（这样Selector才知道需要记录什么数据），一共有4种事件：
1、connect：客户端连接服务端事件，对应值为SelectionKey.OP_CONNECT(8)
2、accept：服务端接收客户端连接事件，对应值为SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
3、read：读事件，对应值为SelectionKey.OP_READ(1)
4、write：写事件，对应值为SelectionKey.OP_WRITE(4)
下面我们来通过一个简单的网络聊天室来理解一下
TCP模式
客户端
服务端
public void Server() throws IOException{
//获取通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
//切换非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);
//绑定连接
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9898));
//获取选择器
Selector selector = Selector.open();
//将通道注册到选择器上，并且指定“监听器事件”
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//轮询式的获取选择器上已经“准备就绪事件”
while(true){
int n = selector.select();
if (n == 0) continue;
//获取当前选择器中所有注册的“选择键（已就绪的监听事件）”
Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
while(ite.hasNext()){
//获取准备就绪的事件
SelectionKey key = (SelectionKey)ite.next();
//若“接收就绪”，
if (key.isAcceptable()){
//若“接受就绪”，获取客户端连接
SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
//切换非阻塞模式
clntChan.configureBlocking(false);
//将通道注册到选择器上
clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));
}
//若“读事件”准备就绪
if (key.isReadable()){
//获取当前读就绪的通道
SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
//读取数据
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
//
int len = 0 ;
while(len = clntChan.read(buf)> 0 ){
//切换到读模式
buf.flip();
System.out.println(new String(buf.array(),0,len));
buf.clear();
}
}
//若“写事件”准备就绪
if (key.isWritable() && key.isValid()){
//写和读差不多，都是个这意思
}
//连接失败
if (key.isConnectable()){
System.out.println("isConnectable = true");
}
ite.remove();
}
}
}
服务端操作过程
- 创建ServerSocketChannel实例，并绑定指定端口；
- 创建Selector实例；
- 将serverSocketChannel注册到selector，并指定事件OP_ACCEPT，最底层的socket通过channel和selector建立关联；
- 如果没有准备好的socket，select方法会被阻塞一段时间并返回0；
- 如果底层有socket已经准备好，selector的select方法会返回socket的个数，而且selectedKeys方法会返回socket对应的事件（connect、accept、read or write）；
- 根据事件类型，进行不同的处理逻辑；
在步骤3中，selector只注册了serverSocketChannel的OP_ACCEPT事件
6.1. 如果有客户端A连接服务，执行select方法时，可以通过serverSocketChannel获取客户端A的socketChannel，并在selector上注册socketChannel的OP_READ事件。
6.2如果客户端A发送数据，会触发read事件，这样下次轮询调用select方法时，就能通过socketChannel读取数据，同时在selector上注册该socketChannel的OP_WRITE事件，实现服务器往客户端写数据。
UDP模式
接收方
发送方
想必到这大家应该知道Selector是干什么的了吧，那接下来我们再来看一看Selector实现原理。
Selector实现原理
SocketChannel、ServerSocketChannel和Selector的实例初始化都通过SelectorProvider类实现，其中Selector是整个NIO Socket的核心实现。
public static SelectorProvider provider() {
synchronized (lock) {
if (provider != null)
return provider;
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
public SelectorProvider run() {
if (loadProviderFromProperty())
return provider;
if (loadProviderAsService())
return provider;
provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
return provider;
}
});
}
}
注：SelectorProvider在windows和linux下有不同的实现，provider方法会返回对应的实现。
思考一：Selector如何做到同时管理多个socket？
Selector初始化时，会实例化PollWrapper、SelectionKeyImpl数组和Pipe。
WindowsSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
super(sp);
pollWrapper = new PollArrayWrapper(INIT_CAP);
wakeupPipe = Pipe.open();
wakeupSourceFd = ((SelChImpl)wakeupPipe.source()).getFDVal();
// Disable the Nagle algorithm so that the wakeup is more immediate
SinkChannelImpl sink = (SinkChannelImpl)wakeupPipe.sink();
(sink.sc).socket().setTcpNoDelay(true);
wakeupSinkFd = ((SelChImpl)sink).getFDVal();
pollWrapper.addWakeupSocket(wakeupSourceFd, 0);
}
pollWrapper用Unsafe类申请一块物理内存pollfd，存放socket句柄fdVal和events，其中pollfd共8位，0-3位保存socket句柄，4-7位保存events。
pollWrapper提供了fdVal和event数据的相应操作，如添加操作通过Unsafe的putInt和putShort实现。
void putDescriptor(int i, int fd) {
pollArray.putInt(SIZE_POLLFD * i + FD_OFFSET, fd);
}
void putEventOps(int i, int event) {
pollArray.putShort(SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET, (short)event);
}
先看看serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)是如何实现的
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
throws ClosedChannelException {
synchronized (regLock) {
SelectionKey k = findKey(sel);
if (k != null) {
k.interestOps(ops);
k.attach(att);
}
if (k == null) {
// New registration
synchronized (keyLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
addKey(k);
}
}
return k;
}
}
- 如果该channel和selector已经注册过，则直接添加事件和附件。
- 否则通过selector实现注册过程。
protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
int ops, Object attachment) {
if (!(ch instanceof SelChImpl))
throw new IllegalSelectorException();
SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
k.attach(attachment);
synchronized (publicKeys) {
implRegister(k);
}
k.interestOps(ops);
return k;
}
protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
synchronized (closeLock) {
if (pollWrapper == null)
throw new ClosedSelectorException();
growIfNeeded();
channelArray[totalChannels] = ski;
ski.setIndex(totalChannels);
fdMap.put(ski);
keys.add(ski);
pollWrapper.addEntry(totalChannels, ski);
totalChannels++;
}
}
- 前channel和selector为参数，初始化SelectionKeyImpl 对象selectionKeyImpl ，并添加附件attachment。
- 当前channel的数量totalChannels等于SelectionKeyImpl数组大小，对SelectionKeyImpl数组和pollWrapper进行扩容操作。
- totalChannels % MAX_SELECTABLE_FDS == 0，则多开一个线程处理selector。
- llWrapper.addEntry将把selectionKeyImpl中的socket句柄添加到对应的pollfd。
- interestOps(ops)方法最终也会把event添加到对应的pollfd。
所以，不管serverSocketChannel，还是socketChannel，在selector注册的事件，最终都保存在pollArray中。
接着，再来看看selector中的select是如何实现一次获取多个有事件发生的channel的，底层由selector实现类的doSelect方法实现，如下：
protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
if (channelArray == null)
throw new ClosedSelectorException();
this.timeout = timeout; // set selector timeout
processDeregisterQueue();
if (interruptTriggered) {
resetWakeupSocket();
return 0;
}
// Calculate number of helper threads needed for poll. If necessary
// threads are created here and start waiting on startLock
adjustThreadsCount();
finishLock.reset(); // reset finishLock
// Wakeup helper threads, waiting on startLock, so they start polling.
// Redundant threads will exit here after wakeup.
startLock.startThreads();
// do polling in the main thread. Main thread is responsible for
// first MAX_SELECTABLE_FDS entries in pollArray.
try {
begin();
try {
subSelector.poll();
} catch (IOException e) {
finishLock.setException(e); // Save this exception
}
// Main thread is out of poll(). Wakeup others and wait for them
if (threads.size() > 0)
finishLock.waitForHelperThreads();
} finally {
end();
}
// Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled for the next run.
finishLock.checkForException();
processDeregisterQueue();
int updated = updateSelectedKeys();
// Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled for the next run.
resetWakeupSocket();
return updated;
}
其中 subSelector.poll() 是select的核心，由native函数poll0实现，readFds、writeFds 和exceptFds数组用来保存底层select的结果，数组的第一个位置都是存放发生事件的socket的总数，其余位置存放发生事件的socket句柄fd。
private final int[] readFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] writeFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] exceptFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private int poll() throws IOException{ // poll for the main thread
return poll0(pollWrapper.pollArrayAddress,
Math.min(totalChannels, MAX_SELECTABLE_FDS),
readFds, writeFds, exceptFds, timeout);
}
执行 selector.select() ，poll0函数把指向socket句柄和事件的内存地址传给底层函数。
- 之前没有发生事件，程序就阻塞在select处，当然不会一直阻塞，因为epoll在timeout时间内如果没有事件，也会返回；
- 有对应的事件发生，poll0方法就会返回；
- ocessDeregisterQueue方法会清理那些已经cancelled的SelectionKey；
- dateSelectedKeys方法统计有事件发生的SelectionKey数量，并把符合条件发生事件的SelectionKey添加到selectedKeys哈希表中，提供给后续使用。
注：在早期的JDK1.4和1.5 update10版本之前，Selector基于select/poll模型实现，是基于IO复用技术的非阻塞IO，不是异步IO。在JDK1.5 update10和linux core2.6以上版本，sun优化了Selctor的实现，底层使用epoll替换了select/poll （看视频上说因为epoll的存在，会使Linux上运行NIO模式程序比Windows快的多，但是我估计Windows不会这么捞吧，百度上说window上有个类似的IOCP，不知道有没有被使用）。
select（Windows系统函数）:注册的socket事件由数组管理，长度有限制，轮询查找时需要遍历数组。
poll（Linux系统函数）:注册的socket事件由链表实现，数量没有限制，遍历链表轮询查找。
epoll（Liunx core2.6以上版本系统的函数，Window上没有）:基于事件驱动思想，采用reactor模式，通过事件回调，无需使用某种方式主动检查socket状态，被动接收就绪事件即可。
epoll原理
epoll是Linux下的一种IO多路复用技术，可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄。
epoll内部实现大概如下：
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epoll初始化时，会向内核注册一个文件系统，用于存储被监控的句柄文件，调用epoll_create时，会在这个文件系统中创建一个file节点。同时epoll会开辟自己的内核高速缓存区，以红黑树的结构保存句柄，以支持快速的查找、插入、删除。还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。
-
当执行epoll_ctl时，除了把socket句柄放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后，就把socket插入到就绪链表里。
-
当epoll_wait调用时，仅仅观察就绪链表里有没有数据，如果有数据就返回，否则就sleep，超时时立刻返回。
好了，这个时候，我们应该也可以回答思考一的问题了
当我们将通道注册到选择器后，我们会加将socket的管理交给操作系统，当注册的Socket中发生行为后，操作系统会立即通知应用程序，这时候我们将这个socket连接取出来处理一下里面的数据就好了。
