选择器 Selector

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

为什么使用Selector?

仅用单个线程来处理多个Channel的好处是：只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。
但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。
下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图：
选择器 Selector - 图1
Java NIO: 一个线程使用一个Selector处理3个Channel

Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：

  1. Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用，必须将Channel注册到Selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

  1. channel.configureBlocking(false);
  2. SelectionKey key = channel.register(selector,
  3.     Selectionkey.OP_READ);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
注意register()方法的第二个参数。这是一个“兴趣(interest)集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

  1. Connect
  2. Accept
  3. Read
  4. Write

Channel能够触发了一个事件，意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。
这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

  1. SelectionKey.OP_CONNECT
  2. SelectionKey.OP_ACCEPT
  3. SelectionKey.OP_READ
  4. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

  1. int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

在下面还会继续提到interest集合。

SelectionKey说明

在上一小节中，当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象（可选）

下面我会描述这些属性。

interest集合

就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合，像这样：

  1. int interestSet = selectionKey.interestOps();
  2. boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；
  3. boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
  4. boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
  5. boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

可以看到，用“和”操作interest 集合和给定的SelectionKey常量，可以确定某个确定的事件是否在interest 集合中。

ready集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

  1. int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

  1. selectionKey.isAcceptable();
  2. selectionKey.isConnectable();
  3. selectionKey.isReadable();
  4. selectionKey.isWritable();

Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

  1. Channel  channel  = selectionKey.channel();
  2. Selector selector = selectionKey.selector();

附加的对象

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加 与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

  1. selectionKey.attach(theObject);
  2. Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

  1. SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。
下面是select()方法：

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。
select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

  1. Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。
可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下：

  1. Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  2. Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
  3. while(keyIterator.hasNext()) {
  4.     SelectionKey key = keyIterator.next();
  5.     if(key.isAcceptable()) {
  6.         // 一个连接被ServerSocketChannel接受
  7.     } else if (key.isConnectable()) {
  8.         // 与远程服务器建立了连接
  9.     } else if (key.isReadable()) {
  10.         // 一个channel做好了读准备
  11.     } else if (key.isWritable()) {
  12.         // 一个channel做好了写准备
  13.     }
  14.     keyIterator.remove();
  15. }

这个循环遍历已选择键集中的每个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。
注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。
SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。
如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在`select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”。

close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

完整的示例

这里有一个完整的示例，打开一个Selector，注册一个通道注册到这个Selector上(通道的初始化过程略去),然后持续监控这个Selector的四种事件（接受，连接，读，写）是否就绪。

  1. Selector selector = Selector.open();
  2. channel.configureBlocking(false);
  3. SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  4. while(true) {
  5.   int readyChannels = selector.select();
  6.   if(readyChannels == 0) continue;
  7.   Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  8.   Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
  9.   while(keyIterator.hasNext()) {
  10.     SelectionKey key = keyIterator.next();
  11.     if(key.isAcceptable()) {
  12.         // 一个连接被ServerSocketChannel接受
  13.     } else if (key.isConnectable()) {
  14.         // 与远程服务器建立了连接
  15.     } else if (key.isReadable()) {
  16.         // 一个channel做好了读准备
  17.     } else if (key.isWritable()) {
  18.         // 一个channel做好了写准备
  19.     }
  20.     keyIterator.remove();
  21.   }
  22. }