V2AS问路
Java I/O（4）：AIO和NIO中的Selector
阅读原文时间：2023年07月10日阅读：1

您好，我是湘王，这是我的博客园，欢迎您来，欢迎您再来～

在Java NIO的三大核心中，除了Channel和Buffer，剩下的就是Selector了。有的地方叫它选择器，也有叫多路复用器的（比如Netty）。

之前提过，数据总是从Channel读取到Buffer，或者从Buffer写入到Channel，单个线程可以监听多个Channel——Selector就是这个线程背后的实现机制（所以得名Selector）。

Selector通过控制单个线程处理多个Channel，如果应用打开了多个Channel，但每次传输的流量都很低，使用Selector就会很方便（至于为什么，具体到Netty中再分析）。所以使用Selector的好处就显而易见：用最少的资源实现最多的操作，避免了线程切换带来的开销。

还是以代码为例来演示Selector的作用。新建一个类，在main()方法中输入下面的代码：

/**
* NIO中的Selector
*
* @author xiangwang
*/
public class TestSelector {
public static void main(String args[]) throws IOException {
// 创建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);

    // 创建一个Selector对象  
    Selector selector = Selector.open();  
    // 按照字面意思理解，应该是这样的：selector.register(channel, event);  
    // 但其实是这样的：channel.register(selector, SelectionKey.OP\_READ);  
    // 四种监听事件：  
    // OP\_CONNECT（连接就绪）  
    // OP\_ACCEPT（接收就绪）  
    // OP\_READ（读就绪）  
    // OP\_WRITE（写就绪）  
    // 注册Channel到Selector，事件一旦被触发，监听随之结束  
    SelectionKey key1 = channel1.register(selector, SelectionKey.OP\_ACCEPT);  
    SelectionKey key2 = channel2.register(selector, SelectionKey.OP\_ACCEPT);

    // 模板代码：在编写程序时，大多数时间都是在模板代码中添加相应的业务代码  
    while(true) {  
        int readyNum = selector.select();  
        if (readyNum == 0) {  
            continue;  
        }

        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();  
        // 轮询  
        for (SelectionKey key : selectedKeys) {  
            Channel channel = key.channel();  
            if (key.isConnectable()) {  
                if (channel == channel1) {  
                    System.out.println("channel1连接就绪");  
                } else {  
                    System.out.println("channel2连接就绪");  
                }  
            } else if (key.isAcceptable()) {  
                if (channel == channel1) {  
                    System.out.println("channel1接收就绪");  
                } else {  
                    System.out.println("channel2接收就绪");  
                }  
            }  
            // 触发后删除，这里不删  
            // it.remove();  
        }  
    }  
}

}

代码写好后启动ServerSocketChannel服务，可以看到我这里已经启动成功：

然后在网上下载一个叫做SocketTest.jar的工具（在一些工具网站下载的时候当心中毒，如果不放心，可以私信我，给你地址），双击打开，并按下图方式执行：

点击「Connect」可以看到变化：

然后点击「Disconnect」，再输入「9090」后，再点击「Connect」试试：

可以看到结果显示结果变了：

两次连接，打印了三条信息：说明selector的轮询在起作用（因为Set中包含了所有处于监听的SelectionKey）。但是「接收就绪」监听事件仅执行了一次就再不响应。如果感兴趣的话你可以把OP_READ、OP_WRITE这些事件也执行一下试试看。

因为Selector是单线程轮询监听多个Channel，那么如果Selector（线程）之间需要传递数据，怎么办呢？——Pipe登场了。Pipe就是一种用于Selector之间数据传递的「管道」。

先来看个图：

可以清楚地看到它的工作方式。

还是用代码来解释。

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

    // 将Buffer数据写入到管道  
    Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();  
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);  
    buffer.put("ByteBuffer".getBytes());  
    // 切换到写模式  
    buffer.flip();  
    sinkChannel.write(buffer);

    // 从管道读取数据  
    Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();  
    buffer = ByteBuffer.allocate(32);  
    sourceChannel.read(buffer);  
    System.out.println(new String(buffer.array()));

    // 关闭管道  
    sinkChannel.close();  
    sourceChannel.close();  
}

}

之前说过，同步指的按顺序一次完成一个任务，直到前一个任务完成并有了结果以后，才能再执行后面的任务。而异步指的是前一个任务结束后，并不等待任务结果，而是继续执行后一个任务，在所有任务都「执行」完后，通过任务的回调函数去获得结果。所以异步使得应用性能有了极大的提高。为了更加生动地说明什么是异步，可以来做个实验：

通过调用CompletableFuture.supplyAsync()方法可以很明显地观察到，处于位置2的「这一步先执行」会最先显示，然后才执行位置1的代码。而这就是异步的具体实现。

NIO为了支持异步，升级到了NIO2，也就是AIO。而AIO引入了新的异步Channel的概念，并提供了异步FileChannel和异步SocketChannel的实现。AIO的异步SocketChannel是真正的异步非阻塞I/O。通过代码可以更好地说明：

/**
* AIO客户端
*
* @author xiangwang
*/
public class AioClient {
public void start() throws IOException, InterruptedException {
AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();
if (channel.isOpen()) {
// socket接收缓冲区recbuf大小
channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 128 * 1024);
// socket发送缓冲区recbuf大小
channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_SNDBUF, 128 * 1024);
// 保持长连接状态
channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_KEEPALIVE, true);
// 连接到服务端
channel.connect(new InetSocketAddress(8080), null,
new AioClientHandler(channel));
// 阻塞主进程
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客户端CompletionHandler
*
* @author xiangwang
*/
public class AioClientHandler implements CompletionHandler {
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 {  
        // 将输入内容写到buffer  
        String line = input.readLine();  
        channel.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));  
        // 在操作系统中的Java本地方法native已经把数据写到了buffer中  
        // 这里只需要一个缓冲区能接收就行了  
        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();  
            }  
            // 将输入内容写到buffer  
            line = input.readLine();  
            channel.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));  
        }  
    } catch (IOException | InterruptedException | ExecutionException e) {  
        e.printStackTrace();  
    }  
}

}

/**
* AIO服务端
*
* @author xiangwang
*/
public class AioServer {
public void start() throws InterruptedException, IOException {
AsynchronousServerSocketChannel channel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
if (channel.isOpen()) {
// socket接受缓冲区recbuf大小
channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 4 * 1024);
// 端口重用，防止进程意外终止，未释放端口，重启时失败
// 因为直接杀进程，没有显式关闭套接字来释放端口，会等待一段时间后才可以重新use这个关口
// 解决办法就是用SO_REUSEADDR
channel.setOption(StandardSocketOptions.SO_REUSEADDR, true);
channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
} else {
throw new RuntimeException("channel not opened!");
}
// 处理client连接
channel.accept(null, new AioServerHandler(channel));
System.out.println("server started");
// 阻塞主进程
for(;;) {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
}

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

}

/**
* AIO服务端CompletionHandler
*
* @author xiangwang
*/
public class AioServerHandler implements CompletionHandler {
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) {  
    // 处理下一次的client连接  
    serverChannel.accept(null, this);  
}  
@Override  
public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Void attachment) {  
    // 处理下一次的client连接，类似链式调用  
    serverChannel.accept(null, this);  
    try {  
        // 将输入内容写到buffer  
        String line = input.readLine();  
        result.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));  
        // 在操作系统中的Java本地方法native已经把数据写到了buffer中  
        // 这里只需要一个缓冲区能接收就行了  
        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();  
            }  
            // 将输入内容写到buffer  
            line = input.readLine();  
            result.write(ByteBuffer.wrap(line.getBytes()));  
        }  
    } catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) {  
        e.printStackTrace();  
    }  
}

}

执行测试后显示，不管是在客户端还是在服务端，读写完全是异步的。

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