JavaNIO三组件SelecotrChannel实现原理解

　　一、NIO聊天室入门案例
　　在学习原理之前，先来了解一个JavaNIO实现聊天室的小案例，该案例只有三个类：NioServer聊天室服务端、NioClient聊天室客户端、ClientThread客户端线程。服务端代码：Nio聊天室服务端authorcspdate202111304：13下午publicclassNioServer｛聊天室成员列表：MapString，SocketChannelmemberChannels；端口privatestaticfinalintPORT8080；选择器privateSelectorselector；管道privateServerSocketChannelserver；缓冲privateByteBufferbuffer；publicNioServer（）throwsIOException｛初始化Selector选择器this。selectorSelector。open（）；初始化Channel通道this。servergetServerChannel（selector）；初始化Buffer缓冲：this。bufferByteBuffer。allocate（1024）；初始化聊天室成员列表memberChannelsnewConcurrentHashMap（）；｝初始化Channel通道paramselectorreturnthrowsIOExceptionprivateServerSocketChannelgetServerChannel（Selectorselector）throwsIOException｛开辟一个Channel通道ServerSocketChannelserverSocketChannelServerSocketChannel。open（）；通道设置为非阻塞模式serverSocketChannel。configureBlocking（false）；通道注册绑定Selector选择器，通道中数据的事件类型为OPACCEPTserverSocketChannel。register（selector，SelectionKey。OPACCEPT）；通道绑定端口serverSocketChannel。socket（）。bind（newInetSocketAddress（PORT））；returnserverSocketChannel；｝事件监听publicvoidlisten（）throwsIOException｛System。out。println（服务端启动。。。。。。）；try｛无限循环while（true）｛作用：至少需要有一个事件发生，否则（如果count0）就继续阻塞循环intcountselector。select（）；if（count0）｛continue；｝获取SelectorKey的集合SetSelectionKeykeySetselector。selectedKeys（）；IteratorSelectionKeyiteratorkeySet。iterator（）；while（iterator。hasNext（））｛当前事件对应的SelectorKeySelectionKeykeyiterator。next（）；删除当前事件：表示当前事件已经被消费了iterator。remove（）；if（key。isAcceptable（））｛Accept类型事件：通过key获取ServerSocketChannelServerSocketChannelserver（ServerSocketChannel）key。channel（）；通过ServerSocketChannel获取SocketChannelSocketChannelchannelserver。accept（）；channel设置为非阻塞模式channel。configureBlocking（false）；channel绑定选择器channel。register（selector，SelectionKey。OPREAD）；从channel中获取Host、端口等信息System。out。println（客户端连接：channel。socket（）。getInetAddress（）。getHostName（）：channel。socket（）。getPort（））；｝elseif（key。isReadable（））｛Read类型事件SocketChannelchannel（SocketChannel）key。channel（）；用于解密消息内容CharsetDecoderdecoderCharset。forName（UTF8）。newDecoder（）；将消息数据从通道channel读取到缓冲bufferByteBufferbufferByteBuffer。allocate（50）；buffer。clear（）；channel。read（buffer）；buffer。flip（）；获取解密后的消息内容：Stringmsgdecoder。decode（buffer）。toString（）；if（！。equals（msg））｛System。out。println（收到：msg）；if（msg。startsWith（username））｛Stringusernamemsg。replaceAll（username，）；memberChannels。put（username，channel）；System。out。println（用户总数：memberChannels。size（））；｝else｛转发消息给客户端String〔〕arrmsg。split（：）；if（arr。length3）｛发送者Stringfromarr〔0〕；接收者Stringtoarr〔1〕；发送内容Stringcontentarr〔2〕；System。out。println（from发送给to的消息：content）；if（memberChannels。containsKey（to））｛解密CharsetEncoderencoderCharset。forName（UTF8）。newEncoder（）；给接收者发送消息memberChannels。get（to）。write（encoder。encode（CharBuffer。wrap（from：content）））；｝｝｝｝｝｝｝｝catch（Exceptione）｛System。out。println（服务端启动失败。。。。。。）；e。printStackTrace（）；｝finally｛try｛先关闭选择器，在关闭通道调用close（）方法将会关闭Selector，同时也会将关联的SelectionKey失效，但不会关闭Channel。selector。close（）；server。close（）；｝catch（IOExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝｝publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsIOException｛服务端启动：newNioServer（）。listen（）；｝｝客户端线程类：Nio聊天室客户端线程authorcspdate202111304：13下午publicclassClientThreadextendsThread｛解密privateCharsetDecoderdecoderCharset。forName（UTF8）。newDecoder（）；加密privateCharsetEncoderencoderCharset。forName（UTF8）。newEncoder（）；选择器privateSelectorselectornull；通道privateSocketChannelsocketnull；通道keyprivateSelectionKeyclientKeynull；用户名privateStringusername；publicClientThread（Stringusername）｛try｛创建一个SelectorselectorSelector。open（）；创建Socket并注册socketSocketChannel。open（）；socket。configureBlocking（false）；clientKeysocket。register（selector，SelectionKey。OPCONNECT）；连接到远程地址InetSocketAddressipnewInetSocketAddress（localhost，8080）；socket。connect（ip）；this。usernameusername；｝catch（IOExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝开辟读取事件的线程Overridepublicvoidrun（）｛try｛监听事件（无限循环）while（true）｛监听事件selector。select（）；事件来源列表IteratorSelectionKeyitselector。selectedKeys（）。iterator（）；while（it。hasNext（））｛SelectionKeykeyit。next（）；删除当前事件it。remove（）；判断事件类型if（key。isConnectable（））｛连接事件SocketChannelchannel（SocketChannel）key。channel（）；if（channel。isConnectionPending（））channel。finishConnect（）；channel。register（selector，SelectionKey。OPREAD）；System。out。println（连接服务器端成功！）；发送用户名send（usernamethis。username）；｝elseif（key。isReadable（））｛读取数据事件SocketChannelchannel（SocketChannel）key。channel（）；读取数据ByteBufferbufferByteBuffer。allocate（50）；channel。read（buffer）；buffer。flip（）；Stringmsgdecoder。decode（buffer）。toString（）；System。out。println（收到：msg）；｝｝｝｝catch（IOExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝finally｛关闭try｛selector。close（）；socket。close（）；｝catch（IOExceptione）｛｝｝｝发送消息parammsgpublicvoidsend（Stringmsg）｛try｛SocketChannelclient（SocketChannel）clientKey。channel（）；client。write（encoder。encode（CharBuffer。wrap（msg）））；｝catch（Exceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝关闭客户端publicvoidclose（）｛try｛selector。close（）；socket。close（）；｝catch（IOExceptione）｛｝｝｝客户端代码：Nio聊天室客户端authorcspdate2021120917：03：33publicclassNioClient｛publicstaticvoidmain（String〔〕args）｛当前客户端的用户名Stringusernamelufei；为当前客户端开辟一个线程ClientThreadclientnewClientThread（username）；client。start（）；输入输出流BufferedReadersinnewBufferedReader（newInputStreamReader（System。in））；try｛循环读取键盘输入Stringreadline；while（（readlinesin。readLine（））！null）｛if（readline。equals（bye））｛client。close（）；System。exit（0）；｝发送消息client。send（username：readline）；｝｝catch（IOExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝｝运行测试：
　　启动运行测试一下效果！
　　服务端先启动，控制台打印：服务端启动。。。。。。
　　接着启动客户端，控制台打印：连接服务器端成功！
　　这时候服务端会打印客户端的连接信息以及用户名等信息：
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　　测试客户端向服务的发送消息，客户端控制台输入Hello我是lufei！，这时候服务端会收到发送过来的消息内容：
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　　我们可以再建立一个客户端启动类NioClient2，并将其启动，服务端会收到客户端2的消息：
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　　让客户端1和客户端2之间发送消息：
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　　服务端控制台打印：
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　　这样，一个简单的聊天室就搭建成功了，如果小伙伴想自行完善，可以把代码拷贝一下，自己去设计自己想要实现的聊天室功能。
　　熟悉了NIO通信的小案例之后，我们通过一张图来分析一下其实现原理：
　　从图中可以看出，当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector中获得相应的SelectionKey，同时从SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。二、Selector选择器1、Selector继承体系
　　NIO中实现非阻塞IO的核心对象是Selector，Selector是注册各种IO事件的地方，而且当那些事件发生时，就是Seleetor告诉我们所发生的事件。
　　使用NIO中非阻塞IO编写服务器处理程序，大体上可以分为下面三个步骤：（1）向Selector对象注册感兴趣的事件。（2）从Selector中获取感兴趣的事件。（3）根据不同的事件进行相应的处理。2、Selector选择器的创建
　　在聊天室案例的NioServer服务端类中，选择器的初始化创建位于其构造函数中：publicNioServer（）throwsIOException｛初始化Selector选择器也可以通过实现java。nio。channels。spi。SelectorProvider。openSelector（）抽象方法自定义一个Selector。this。selectorSelector。open（）；初始化Channel通道初始化Buffer缓冲：初始化聊天室成员列表｝
　　Selector可以通过它自己的open（）方法创建，借助java。nio。channels。spi。SelectorProvider类创建一个新的Selector选择器。也可以通过实现java。nio。channels。spi。SelectorProvider类的抽象方法openSelector（）来自定义实现一个Selector。Selector一旦创建将会一直处于open状态直到调用了close（）方法为止。
　　我们跟进这个open（）方法：publicabstractclassSelectorimplementsCloseable｛protectedSelector（）｛｝该方法返回一个Selector选择器：publicstaticSelectoropen（）throwsIOException｛通过SelectorProvider构建选择器returnSelectorProvider。provider（）。openSelector（）；｝。。。｝
　　继续向下跟进SelectorProvider。provider（）方法：该方法位于SelectorProvider类中吗，可以获取能够构建Selector选择器的SelectorProvider对象publicstaticSelectorProviderprovider（）｛synchronized（lock）｛if（provider！null）returnprovider；returnAccessController。doPrivileged（newPrivilegedActionSelectorProvider（）｛publicSelectorProviderrun（）｛if（loadProviderFromProperty（））returnprovider；if（loadProviderAsService（））returnprovider；DefaultSelectorProvider会根据不同的操作系统去创建不同的SelectorProviderprovidersun。nio。ch。DefaultSelectorProvider。create（）；returnprovider；｝｝）；｝｝
　　我们跟进DefaultSelectorProvider。create（）方法，它会根据不同的操作系统去创建不同的SelectorProvider：如果是Windows操作系统，则创建的是WindowsSelectorProvider对象。如果是MacOS操作系统，则创建的是KQueueSelectorProvider对象。如果是Linux操作系统，则创建的是EPollSelectorProvider对象。
　　例如我使用的是Mac系统，那么跟进create（）方法时，进入如下代码：publicclassDefaultSelectorProvider｛privateDefaultSelectorProvider（）｛｝publicstaticSelectorProvidercreate（）｛returnnewKQueueSelectorProvider（）；｝｝继续往下跟进KQueueSelectorProvider（），进入KQueueSelectorProvider类：publicclassKQueueSelectorProviderextendsSelectorProviderImpl｛publicKQueueSelectorProvider（）｛｝publicAbstractSelectoropenSelector（）throwsIOException｛KQueueSelectorImpl是具体实现类，我们继续往下跟进，去看看实现逻辑：returnnewKQueueSelectorImpl（this）；｝｝
　　继续跟进，进入KQueueSelectorImpl类内部：classKQueueSelectorImplextendsSelectorImpl｛用于存放read端的文件描述protectedintfd0；用于存放write端的文件描述protectedintfd1；。。。。。。KQueueSelectorImpl（SelectorProvidervar1）｛super（var1）；makePipe方法是native修饰的本地方法，其作用是返回两个文件描述符var2，var2高位存放的是通道read端的文件描述符，低32位存放的是write端的文件描述符。longvar2IOUtil。makePipe（false）；文件描述符fd0只读数据this。fd0（int）（var232）；文件描述符fd1只写数据this。fd1（int）var2；。。。。。。｝。。。。。。｝
　　问题：为什么在不同操作系统平台，Provider不同呢？
　　因为网络IO是跟操作系统息息相关的，不同的操作系统的实现可能都不一样。比如我们在Linux操作系统安装的JDK版本，和Windows操作系统上就不太一样。3、Selector选择器绑定Channel管道
　　如聊天室案例中服务端NioServer，Channel管道与Selector选择器的绑定通过如下方式：初始化Channel通道paramselectorreturnthrowsIOExceptionprivateServerSocketChannelgetServerChannel（Selectorselector）throwsIOException｛开辟一个Channel通道ServerSocketChannelserverSocketChannelServerSocketChannel。open（）；通道设置为非阻塞模式serverSocketChannel。configureBlocking（false）；为了将Channel跟Selector绑定在一起，我们需要将Channel注册到Selector上，调用Channel的register（）方法通道中数据的事件类型为OPACCEPT（事件类型总共有4种，详情请参考下文的第4小节，管道与选择器之间的桥梁SelectionKey）serverSocketChannel。register（selector，SelectionKey。OPACCEPT）；通道绑定端口serverSocketChannel。socket（）。bind（newInetSocketAddress（PORT））；returnserverSocketChannel；｝
　　注意：Channel必须是非阻塞模式才能注册到Selector上，所以，无法将一个FileChannel注册到Selector，因为FileChannel没有所谓的阻塞还是非阻塞模式。
　　管道Channel和选择器Selector的关系：Selector通过不断轮询的方式同时监听多个Channel的事件，注意，这里是同时监听，一旦有Channel准备好了，它就会返回这些准备好了的Channel，交给处理线程去处理。在NIO编程中，通过Selector我们就实现了一个线程同时处理多个连接请求的目标，也可以一定程序降低服务器资源的消耗。4、管道与选择器之间的桥梁SelectionKey
　　我们再来看一下Selector与Channel的关系图：
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　　如上图所示，将管道与注册到选择器上时，register（）方法需要传递2个参数，一个是Selector选择器对象，另一个是管道中事件的类型SelectionKey，选择器通过该对象的静态变量值去识别不同管道中的事件内容。所以SelectionKey又可以看作是Channel和Selector之间的一座桥梁，把两者绑定在了一起。为了将Channel跟Selector绑定在一起，我们需要将Channel注册到Selector上，调用Channel的register（）方法通道中数据的事件类型为OPACCEPTserverSocketChannel。register（selector，SelectionKey。OPACCEPT）；
　　SelectionKey有如下4种事件类型：读事件：00000001publicstaticfinalintOPREAD10；写事件：00000100publicstaticfinalintOPWRITE12；连接事件：00001000，连接操作，Client端支持的一种操作publicstaticfinalintOPCONNECT13；接受事件：00010000，可接受操作仅ServerSocketChannel支持publicstaticfinalintOPACCEPT14；5、SelectionKey的几个常用方法
　　参考文章：https：juejin。cnpost68449034405737922705。1、interestOps（）方法作用：返回代表需要Selector监控的IO操作的，可以通过以下方法来判断Selector是否对Channel的某种事件感兴趣。interest数据集：当前Channel感兴趣的操作，此类操作将会在下一次选择器select（）操作时被交付，可以通过selectionKey。interestOps（int）进行方法修改。使用方式如下：获取该selectionKey感兴趣的事件集intinterestSetselectionKey。interestOps（）；booleanisInterestedInAccept（interestSetSelectionKey。OPACCEPT）SelectionKey。OPACCEPT；booleanisInterestedInConnectinterestSetSelectionKey。OPCONNECT；booleanisInterestedInReadinterestSetSelectionKey。OPREAD；booleanisInterestedInWriteinterestSetSelectionKey。OPWRITE；5。2、readyOps（）方法作用：获取此selectionKey键上的ready操作集合，即在当前通道上已经就绪的事件。可以通过readyOps（）方法获取所有就绪了的事件，也可以通过isXxxable（）方法检查某个事件是否就绪。ready数据集：表示此选择键上，已经就绪的操作，每次select（）时，选择器都会对ready集合进行更新，外部程序无法修改此集合。使用方式如下：创建ready集合的方法intreadySetselectionKey。readyOps（）；检查这些操作是否就绪的方法booleanisReadable（）；是否可读，是返回true，检测此键是否为read事件。等效于：k。，readyOps（）OPREAD！0；booleanisWritable（）：是否可写，是返回truebooleanisConnectable（）：是否可连接，是返回truebooleanisAcceptable（）：是否可接收，是返回true5。3、channel（）、selector（）方法作用：通过channel（）、selector（）方法可以获取绑定的通道Channel和选择器Selector，代码案例如下：ChannelchannelselectionKey。channel（）；SelectorselectorselectionKey。selector（）；5。4、attachment（）方法
　　可以将一个或者多个附加对象绑定到SelectionKey上，以便容易的识别给定的通道。通常有两种方式：在注册的时候直接绑定：SelectionKeykeychannel。register（selector，SelectionKey。OPREAD，theObject）；在绑定完成之后附加：selectionKey。attach（theObject）；绑定
　　绑定之后，可通过对应的SelectionKey取出该对象：selectionKey。attachment（）；
　　如果要取消该对象，则可以通过该种方式：selectionKey。attach（null）
　　需要注意的是如果附加的对象不再使用，一定要人为清除，因为垃圾回收器不会回收该对象，若不清除的话会成内存泄漏。
　　一个单独的通道可被注册到多个选择器中，有些时候我们需要通过isRegistered（）方法来检查一个通道是否已经被注册到任何一个选择器上。通常来说，我们并不会这么做。
　　有点类似于ThreadLocal，可以让不同的线程都拥有一份自己的变量副本，且相互隔离，但是区别在于ThreadLocal的对象过期后会被自动回收的！6、Selector的几个常用方法这一部分参考自这2篇文章：
　　https：blog。csdn。nettangtong1articledetails103414499https：blog。csdn。netweixin34237596articledetails927383316。1、select（）方法
　　一旦将一个或多个Channel注册到Selector上了，我们就可以调用它的select（）方法了，它会返回注册时感兴趣的事件中就绪的事件。
　　select（）方法有三种变体：select（），无参数，阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了才返回。（当然是我们注册的感兴趣的事件）。select（timeout），带超时，阻塞直到某个Channel有就绪的事件了，或者超时了才返回。selectNow（），立即返回，非阻塞，只要有通道就绪就立刻返回。
　　select（）方法返回的int值表示有多少通道已经就绪，是自上次调用select（）方法后有多少通道变成就绪状态。之前在select（）调用时进入就绪的通道不会在本次调用中被记入，而在前一次select（）调用进入就绪但现在已经不在处于就绪的通道也不会被记入。例如：首次调用select（）方法，如果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（）方法调用之前，只有一个通道就绪了。
　　一旦调用select（）方法，并且返回值不为0时，则可以通过调用Selector的selectedKeys（）方法来访问已选择键集合。如下：SetSelectionKeyselectionKeySetselector。selectedKeys（）；6。2、selectKeys（）方法
　　Selector。selectKeys（），可以获取该选择器相关联的SelectionKey集合，通过遍历这些SelectorKey，可以进一步获取其感情兴趣的事件类型，以及其关联的Channel通道。SetSelectionKeyselectedKeysselector。selectedKeys（）；IteratorSelectionKeyitselectedKeys。iterator（）；while（it。hasNext（））｛SelectionKeykeykeyIterator。next（）；if（key。isAcceptable（））｛可连接事件｝elseif（key。isConnectable（））｛连接事件｝elseif（key。isReadable（））｛读取数据事件｝elseif（key。isWritable（））｛写入事件｝it。remove（）；｝
　　最后，一定要记得调用it。remove（）；移除已经处理的SelectionKey。6。3、wakeUp（）方法
　　前面我们说了调用select（）方法时，调用者线程会进入阻塞状态，直到有就绪的Channel才会返回。其实也不一定，wakeup（）就是用来破坏规则的，可以在另外一个线程调用wakeup（）方法强行唤醒这个阻塞的线程，这样select（）方法也会立即返回。
　　如果调用wakeup（）时并没有线程阻塞在select（）上，那么，下一次调用select（）将立即返回，不会进入阻塞状态。这跟LockSupport。unpark（）方法是比较类似的。6。4、close（）方法
　　调用close（）方法将会关闭Selector，同时也会将关联的SelectionKey失效，但不会关闭Channel。三、Channel通道1、Channel继承体系
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　　通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道，而是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样也不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。
　　使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：（1）从FileInputStream获取Channel。（2）创建Buffer。（3）将数据从Channel读取到Buffer中。
　　使用NIO写入数据同样分为三个步骤：（1）从FileInputStream获取Channel。（2）创建Buffer。（3）将数据从Channel写入Buffer。2、Channel与Steam流的区别
　　参考自：https：blog。csdn。nettangtong1articledetails103341597
　　BIO是面向流（Stream）编程的，流又分成InputStream和OutputStream，那么Channel和Stream有什么区别呢？Channel可以同时支持读和写，而Stream只能支持单向的读或写（所以分成InputStream和OutputStream）。Channel支持异步读写，Stream通常只支持同步。Channel总是读向（readinto）Buffer，或者写自（writefrom）Buffer（有点绕，以Channel为中心，从Channel中读出数据到Buffer，从Buffer中往Channel写入数据），可以参考如下代码：
　　将Channel管道中的数据读取到Buffer：if（key。isReadable（））｛读取数据事件SocketChannelchannel（SocketChannel）key。channel（）；读取数据ByteBufferbufferByteBuffer。allocate（50）；将管道中的数据读取到缓冲Buffer中：channel。read（buffer）；buffer。flip（）；Stringmsgdecoder。decode（buffer）。toString（）；System。out。println（收到：msg）；｝
　　将数据通过Buffer写入到Channel管道：发送消息parammsgpublicvoidsend（Stringmsg）｛try｛SocketChannelclient（SocketChannel）clientKey。channel（）；将数据通过Buffer写入到Channel管道：client。write（encoder。encode（CharBuffer。wrap（msg）））；｝catch（Exceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝
　　由此可知，管道中的数据传输、从管道中读取写入数据，数据本身都是需要包装再Buffer缓冲中的！原文：兴趣使然的草帽路飞
　　https：mp。weixin。qq。comsSjn5pUUDUFb0VOFoeGnj1A