一、簡介
- 1.1、Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一個線程，處理多個的用戶端連接配接，就會使用到Selector(選擇器)
- 1.2、Selector 能夠檢測多個注冊的通道上是否有事件發生(注意：多個Channel以事件的方式可以注冊到同一個Selector)，如果有事件發生，便擷取事件然後針對每個事件進行相應的處理。這樣就可以隻用一個單線程去管理多個通道，也就是管理多個連接配接和請求。
- 1.3、隻有在 連接配接/通道 真正有讀寫事件發生時，才會進行讀寫，就大大地減少了系統開銷，并且不必為每個連接配接都建立一個線程，不用去維護多個線程。
- 1.4、避免了多線程之間的上下文切換導緻的開銷。
Selector一般稱為選擇器 ，也稱多路複用器，多條channel複用selector。channe通過注冊到selector ，使selector對channel進行監聽，實作盡可能少的線程管理多個連接配接。減少了 線程的使用，降低了因為線程的切換引起的不必要額資源浪費和多餘的開銷。
也是網絡傳輸非堵塞的核心元件。
二、特點
- 2.1、Netty 的 IO 線程 NioEventLoop 聚合了 Selector(選擇器，也叫多路複用器)，可以同時并發處理成百上千個用戶端連接配接。
- 2.2、當線程從某用戶端 Socket 通道進行讀寫資料時，若沒有資料可用時，該線程可以進行其他任務。
- 2.3、線程通常将非阻塞 IO 的空閑時間用于在其他通道上執行 IO 操作，是以單獨的線程可以管理多個輸入和輸出通道。
- 2.4、由于讀寫操作都是非阻塞的，這就可以充分提升 IO 線程的運作效率，避免由于頻繁 I/O 阻塞導緻的線程挂起。
- 2.5、一個 I/O 線程可以并發處理 N 個用戶端連接配接和讀寫操作，這從根本上解決了傳統同步阻塞 I/O 一連接配接一線程模型，架構的性能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。
三、Selector的作用
選擇器提供選擇執行已經就緒的任務的能力。從底層來看，Selector提供了詢問通道是否已經準備好執行每個I/O操作的能力。Selector 允許單線程處理多個Channel。僅用單個線程來處理多個Channels的好處是，隻需要更少的線程來處理通道。事實上，可以隻用一個線程處理所有的通道，這樣會大量的減少線程之間上下文切換的開銷。
四、Selector類相關方法
Selector 類是一個抽象類, 常用方法和說明如下：
public abstract class Selector implements Closeable {
public static Selector open();//得到一個選擇器對象
public abstract int select(long timeout);//監控所有注冊的通道，當其中有 IO 操作可以進行時，将
//對應的 SelectionKey 加入到内部集合中并傳回，參數用來設定逾時時間
public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys();//從内部集合中得到所有的 SelectionKey
}
注意事項：
- 1、NIO中的 ServerSocketChannel功能類似ServerSocket，SocketChannel功能類似Socket。
-
2、selector select()方法詳解
select()方法，可以查詢出已經就緒的通道操作，這些就緒的狀态集合，包存在一個元素是SelectionKey對象的Set集合中。
- selector.select()//阻塞
- selector.select(1000);//阻塞1000毫秒，在1000毫秒後傳回
- selector.selectNow();//不阻塞，立馬返還
- selector.wakeup();//喚醒selector
select()方法傳回的int值，表示有多少通道已經就緒，更準确的說，是自前一次select方法以來到這一次select方法之間的時間段上，有多少通道變成就緒狀态。
NIO 非阻塞 網絡程式設計原理分析圖
NIO 非阻塞 網絡程式設計相關的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 關系梳理圖
- 1、當用戶端連接配接時，會通過ServerSocketChannel 得到 SocketChannel。
- 2、Selector 進行監聽 select 方法, 傳回有事件發生的通道的個數。
- 3、将socketChannel注冊到Selector上，register(Selector sel，int ops)，一個selector上可以注冊多個SocketChannel。
- 4、注冊後傳回一個 SelectionKey, 會和該Selector 關聯(集合)。
- 5、進一步得到各個 SelectionKey (有事件發生)。
- 6、在通過 SelectionKey 反向擷取 SocketChannel，方法 channel()。
- 7、可以通過 得到的 channel，完成業務處理。
五、可選擇通道(SelectableChannel)
并不是所有的Channel，都是可以被Selector 複用的。比方說，FileChannel就不能被選擇器複用。
判斷一個Channel 能被Selector 複用，有一個前提：判斷他是否繼承了一個抽象類SelectableChannel。如果繼承了SelectableChannel，則可以被複用，否則不能。
SelectableChannel類提供了實作通道的可選擇性所需要的公共方法。它是所有支援就緒檢查的通道類的父類。所有socket通道，都繼承了SelectableChannel類都是可選擇的，包括從管道(Pipe)對象的中獲得的通道。而FileChannel類，沒有繼承SelectableChannel，是以是不是可選通道。
通道和選擇器注冊之後，他們是綁定的關系嗎？
不是一對一的關系。一個通道可以被注冊到多個選擇器上，但對每個選擇器而言隻能被注冊一次。
通道和選擇器之間的關系，使用注冊的方式完成。SelectableChannel可以被注冊到Selector對象上，在注冊的時候，需要指定通道的哪些操作，是Selector感興趣的。
Channel注冊到Selector
使用Channel.register（Selector sel，int ops）方法，将一個通道注冊到一個選擇器時。第一個參數，指定通道要注冊的選擇器是誰。第二個參數指定選擇器需要查詢的通道操作。
可以供選擇器查詢的通道操作，從類型來分，包括以下四種：
- 1、可讀 : SelectionKey.OP_READ
- 2、可寫 : SelectionKey.OP_WRITE
- 3、連接配接 : SelectionKey.OP_CONNECT
- 4、接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT
如果Selector對通道的多操作類型感興趣，可以用“位或”操作符來實作：int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;
注意，操作一詞，是一個是使用非常泛濫，也是一個容易混淆的詞。特别提醒的是，選擇器查詢的不是通道的操作，而是通道的某個操作的一種就緒狀态。
一旦通道具備完成某個操作的條件，表示該通道的某個操作已經就緒，就可以被Selector查詢到，程式可以對通道進行對應的操作。比方說，某個SocketChannel通道可以連接配接到一個伺服器，則處于“連接配接就緒”(OP_CONNECT)。再比方說，一個ServerSocketChannel伺服器通道準備好接收新進入的連接配接，則處于“接收就緒”（OP_ACCEPT）狀态。還比方說，一個有資料可讀的通道，可以說是“讀就緒”(OP_READ)。一個等待寫資料的通道可以說是“寫就緒”(OP_WRITE)。
六、選擇鍵(SelectionKey)
Channel和Selector的關系确定好後，并且一旦通道處于某種就緒的狀态，就可以被選擇器查詢到。這個工作，使用選擇器Selector的select()方法完成。select方法的作用，對感興趣的通道操作，進行就緒狀态的查詢。
Selector可以不斷的查詢Channel中發生的操作的就緒狀态。并且挑選感興趣的操作就緒狀态。一旦通道有操作的就緒狀态達成，并且是Selector感興趣的操作，就會被Selector選中，放入選擇鍵集合中。
一個選擇鍵，首先是包含了注冊在Selector的通道操作的類型，比方說SelectionKey.OP_READ。也包含了特定的通道與特定的選擇器之間的注冊關系。
開發應用程式是，選擇鍵是程式設計的關鍵。NIO的程式設計，就是根據對應的選擇鍵，進行不同的業務邏輯處理。
選擇鍵的概念，有點兒像事件的概念。
一個選擇鍵有點兒像監聽器模式裡邊的一個事件，但是又不是。由于Selector不是事件觸發的模式，而是主動去查詢的模式，是以不叫事件Event，而是叫SelectionKey選擇鍵。
七、Selector的使用流程
7.1、建立Selector
Selector對象是通過調用靜态工廠方法open()來執行個體化的，如下：
// 1、擷取Selector選擇器
Selector selector = Selector.open();
Selector的類方法open()内部是向SPI送出請求，通過預設的SelectorProvider對象擷取一個新的執行個體。
7.2、将Channel注冊到Selector
要實作Selector管理Channel，需要将channel注冊到相應的Selector上，如下：
// 2、擷取通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.設定為非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4、綁定連接配接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
// 5、将通道注冊到選擇器上,并制定監聽事件為：“接收”事件
serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);
上面通過調用通道的register()方法會将它注冊到一個選擇器上。
首先需要注意的是：
- 與Selector一起使用時，Channel必須處于非阻塞模式下，否則将抛出異常IllegalBlockingModeException。這意味着，FileChannel不能與Selector一起使用，因為FileChannel不能切換到非阻塞模式，而套接字相關的所有的通道都可以。
另外，還需要注意的是：
- 一個通道，并沒有一定要支援所有的四種操作。比如伺服器通道ServerSocketChannel支援Accept 接受操作，而SocketChannel用戶端通道則不支援。可以通過通道上的validOps()方法，來擷取特定通道下所有支援的操作集合。
7.3、輪詢查詢就緒操作
通過Selector的select（）方法，可以查詢出已經就緒的通道操作，這些就緒的狀态集合，包存在一個元素是SelectionKey對象的Set集合中。
下面是Selector幾個重載的查詢select()方法：
- 1、select()：阻塞到至少有一個通道在你注冊的事件上就緒了。
- 2、select(long timeout)：和select()一樣，但最長阻塞事件為timeout毫秒。
- 3、selectNow()：非阻塞，隻要有通道就緒就立刻傳回。
select()方法傳回的int值，表示有多少通道已經就緒，更準确的說，是自前一次select方法以來到這一次select方法之間的時間段上，有多少通道變成就緒狀态。
一旦調用select()方法，并且傳回值不為0時，通過調用Selector的selectedKeys()方法來通路已選擇鍵集合，然後疊代集合的每一個選擇鍵元素，根據就緒操作的類型，完成對應的操作：
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {
// a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {
// a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {
// a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}
處理完成後，直接将選擇鍵，從這個集合中移除，防止下一次循環的時候，被重複的處理。鍵可以但不能添加。試圖向已選擇的鍵的集合中添加元素将抛出java.lang.UnsupportedOperationException。
八、一個NIO 程式設計的簡單執行個體
8.1、服務端：
/**
* @Description: 服務端接收用戶端傳來的資料
*/
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//建立ServerSocketChannel -> ServerSocket
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//得到一個Selecor對象
Selector selector = Selector.open();
//綁定一個端口6666, 在伺服器端監聽
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
//設定為非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//把 serverSocketChannel 注冊到 selector 關心 事件為 OP_ACCEPT
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 用輪詢的方式，查詢擷取“準備就緒”的注冊過的操作
while (true){
//這裡我們等待1秒，如果沒有事件發生, 傳回
if(selector.select(1000) == 0) { //沒有事件發生
System.out.println("伺服器等待了1秒，無連接配接");
continue;
}
//如果傳回的>0, 就擷取到相關的 selectionKey集合
//1.如果傳回的>0， 表示已經擷取到關注的事件
//2. selector.selectedKeys() 傳回關注事件的集合
// 通過 selectionKeys 反向擷取通道
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//周遊 Set<SelectionKey>, 使用疊代器周遊
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while(iterator.hasNext()){
//擷取到SelectionKey
SelectionKey key = iterator.next();
//處理key時，需要從selectionKeys集合中删除，否則下次處理就會有問題
iterator.remove();
//根據key 對應的通道發生的事件做相應處理
if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的用戶端連接配接
//該該用戶端生成一個 SocketChannel
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
System.out.println("用戶端連接配接成功 生成了一個 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
//将 SocketChannel 設定為非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将socketChannel 注冊到selector, 關注事件為 OP_READ， 同時給socketChannel
//關聯一個Buffer
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
System.out.println("用戶端連接配接後 ，注冊的selectionkey 數量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..
}
if(key.isReadable()) { //發生 OP_READ
try {
//通過key 反向擷取到對應channel
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
//擷取到該channel關聯的buffer
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
//如果是正常斷開，read方法傳回值是-1
int read = channel.read(buffer);
if(read == -1){
key.cancel();
}else {
System.out.println("form 用戶端 " + new String(buffer.array()));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//因為用戶端斷開了,是以需要将key取消(從selector的keys集合中真正删除key)
key.cancel();
}
}
}
}
}
}
8.2、用戶端：
public class NIOClient2 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//得到一個網絡通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//設定非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//提供伺服器端的ip 和 端口
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("217.0.0.1", 6666);
//連接配接伺服器
//socketChannel.connect(inetSocketAddress);
//連接配接伺服器
if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {
while (!socketChannel.finishConnect()) {
System.out.println("因為連接配接需要時間，用戶端不會阻塞，可以做其它工作..");
}
}
//...如果連接配接成功，就發送資料
String str = "hello, world";
//Wraps a byte array into a buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
//發送資料，将 buffer 資料寫入 channel
socketChannel.write(buffer);
//完畢時，清除緩沖區内容
buffer.clear();
//關閉相關流
socketChannel.close();
}
}
九、SelectionKey
9.1、SelectionKey，表示 Selector 和網絡通道的注冊關系, 共四種:
- int OP_ACCEPT：有新的網絡連接配接可以 accept，值為 16
- int OP_CONNECT：代表連接配接已經建立，值為 8
- int OP_READ：代表讀操作，值為 1
- int OP_WRITE：代表寫操作，值為 4
源碼中：
public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
9.2、SelectionKey相關方法
public abstract class SelectionKey {
public abstract Selector selector();//得到與之關聯的 Selector 對象
public abstract SelectableChannel channel();//得到與之關聯的通道
public final Object attachment();//得到與之關聯的共享資料
public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//設定或改變監聽事件
public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept
public final boolean isReadable();//是否可以讀
public final boolean isWritable();//是否可以寫
}
十、ServerSocketChannel
10.1、ServerSocketChannel 在伺服器端監聽新的用戶端 Socket 連接配接
10.2、相關方法如下
public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements NetworkChannel{
public static ServerSocketChannel open();得到一個 ServerSocketChannel 通道
public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local);設定伺服器端端口号
public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block);設定阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
public SocketChannel accept();接受一個連接配接，傳回代表這個連接配接的通道對象
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops);注冊一個選擇器并設定監聽事件
}
十一、SocketChannel
- 10.1、SocketChannel，網絡 IO 通道，具體負責進行讀寫操作。NIO 把緩沖區的資料寫入通道，或者把通道裡的資料讀到緩沖區。
- 10.2、相關方法如下
public abstract class SocketChannel extends AbstractSelectableChannel
implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{
public static SocketChannel open();//得到一個 SocketChannel 通道
public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block);//設定阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
public boolean connect(SocketAddress remote);//連接配接伺服器
public boolean finishConnect();//如果上面的方法連接配接失敗，接下來就要通過該方法完成連接配接操作
public int write(ByteBuffer src);//往通道裡寫資料
public int read(ByteBuffer dst);//從通道裡讀資料
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注冊一個選擇器并設定監聽事件，最後一個參數可以設定共享資料
public final void close();//關閉通道
}
NIO程式設計小結
NIO程式設計的難度比同步阻塞BIO大很多。
請注意以上的代碼中并沒有考慮“半包讀”和“半包寫”，如果加上這些，代碼将會更加複雜。
- 1、用戶端發起的連接配接操作是異步的，可以通過在多路複用器注冊OP_CONNECT等待後續結果，不需要像之前的用戶端那樣被同步阻塞。
- 2、SocketChannel的讀寫操作都是異步的，如果沒有可讀寫的資料它不會同步等待，直接傳回，這樣I/O通信線程就可以處理其他的鍊路，不需要同步等待這個鍊路可用。
- 3、線程模型的優化：由于JDK的Selector在Linux等主流作業系統上通過epoll實作，它沒有連接配接句柄數的限制（隻受限于作業系統的最大句柄數或者對單個程序的句柄限制），這意味着一個Selector線程可以同時處理成千上萬個用戶端連接配接，而且性能不會随着用戶端的增加而線性下降。是以，它非常适合做高性能、高負載的網絡伺服器。
參考：
https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/9826906.html