nio通道(4)--SocketChannel

碧海山城 2012-09-02

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从之前的通道(1)--基础接口 大概知道了通道的基本特点，open/close/selectable/流式通道可以通过工厂方法open创建，文件通道比如在一个文件对象上调用getChannel来获取，下面来深入看下SocketChannel

这一篇比较偏向理论

如果想知道大概的代码怎么写，可以参考 SocketChannel续1---基本操作API

如果想知道更多的坑，可以参考 SocketChannel续2---很多注意点

如果想知道一个nio框架的演变，可以参考SocketChannel续3--io框架模型演化

1 SocketIO

1.1 阻塞式的

之前的Socket/ServerSocket/DatagramSocket他们是阻塞式的，java IO的性能瓶颈所在

1.2 不便的读写操作

另外读写也相对不便，分别是getInputStream() 和getOutputStream() 然后使用他们的read和write方法，或者用XXReader稍微包装一下，比如下面的

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));

PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream());

while (true) {

String str = in.readLine();//从socket读入数据

out.println("has receive...."+str);

out.flush();

if (str.equals("end"))

break;

}

2 SocketChannel

通道是新增的IO服务管道，并且提供交互方法，但是socket已有的协议API并不会重新实现，大多可以复用

全部Socket通道类（DatagramChannel/SocketChannel/ServerSocketChannel）在创建的时候都会创建一个对等的Socket对象，可以通过socket()方法获取，这种方式获取到的socket可以调用getChannel()获取对应的channel

2.1 可选择的通道

从最基础的层面来看，选择器提供了询问通道是否准备好执行每个I/O操作的能力，比如了解一个SocketChannel对象是否有更多的字节需要读取，或者需要知道ServerSocketChannel是否有需要准备接受的连接。他们都实现了SelectableChannel接口，因此可以实现就绪选择，这种方式的价值在于潜在的大量的通道同时进行就绪状态的检查。

2.2 自己实现选择通道？

假设自己实现对是否就绪通道的轮训，那么从效率上来说会有几个问题：1.检查每个通道都需要一次系统调用，代价昂贵；2.检查不是原子性的，列表中的每一个通道都有可能在它被检查之后就绪，直到下一次轮训为止；3.不断地遍历，无法在某个感兴趣的通道就绪时得到通知；

传统的监控多个socket的方案是为每一个socket创建一个线程并使得线程在read中阻塞，直到数据可用。这里的被阻塞线程被当做了socket监控器，java虚拟机的线程调度当做了通知机制，这种方式在线程数量的增长失控的时候会造成巨大的压力。

因此真正的就绪选择操作必须由操作系统来做，它会处理I/O请求并通知各个线程他们的数据已经准备好了。

2.3 SocketChananel建立

Socket和SocketChannel类封装点对点、有序的网络连接；每个SocketChannel对象创建时都是和一个对等的Socket对象关联的，静态的open方法可以创建一个新的SocketChannel（注意Socket的通道都是通过工厂方法open创建的），在Channel上调用socket方法能返回对等的Socket对象

新创建的Channel都是未连接的，可以调用connect方法去连接，连接之前尝试IO操作会导致NotYetConnectedException异常。如果说阻塞模式下，线程在连接建立好或超时之前会保持阻塞；在非阻塞模式下（没有超时的参数），他会发起连接请求，并且立即返回，如果是true，则说明连接已经建立（本地环回连接）；如果不能连接，立即返回false，并且异步的继续尝试连接，这时候isConnectPending()会返回true，这时候可以调用finishConnect（）来安全的完成连接过程：

1.connect还未被调用，抛出NoConnectionPendingException

2.正在进行连接，未完成，那么finishConnect会立即返回false

3.非阻塞模式下，调用connect之后，SocketChannel可以调用configureBlocking()切换回阻塞模式，这时候调用finishConnect方法会阻塞直到连接建立完成

4.如果连接已经建立，那么调用finishConnect()方法会返回true，什么也不发生

当通道处于中间的连接等待（connectio n-pending）状态时，只可以调用 finishConnect( ) 、isConnectPending( )或isConnected( ) 方法。一旦连接建立过程成功完成，isConnected( ) 将返回 true值。

InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress (host, port);
SocketChannel sc = SocketChannel.open( );
sc.configureBlocking (false);
sc.connect (addr);
while ( ! sc.finishConnect( )) {
doSomethingElse( );
}
doSomethingWithChannel (sc);
sc.close( );

3 三个基本元素

（Selector、SelectionKey、SocketChannel之间的关系）

（在使用nio的情况下，常会接触的API）

3.1 Selector

它管理着一组被注册的通道集合的信息和他们的就绪状态

3.2 SelectableChannel

这个抽象类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。它是所有支持就绪检查的通道类的父类；一个通道可以被注册到多个选择器上，可以通过isRegistered来检查一个通道是否被注册到任何一个选择器上，但对每个选择器而言只能被注册一次。

（注册之前要确保通道是非阻塞的，否则抛出异常）

SelectionKey wKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

3.3 SelectorKey

选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系,可以调用cancel方法终结这种关系。在通道的特定事件注册到选择器上之后，该选择键对象被返回并提供一个表示这种注册关系的标记，通过它可以得到channel，包括一些状态等。

选择键是基于位的操作，比如判断是否有写事件，如下代码

public final boolean isWritable() {

return (readyOps() & OP_WRITE) != 0;

}

4 深入

4.1 selector创建和注册

ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

Selector sel = Selector.open();// 创建，使用完毕之后调用close关闭

server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));

server.configureBlocking(false); // 设置成非阻塞

// 注册感兴趣的事件,可以关联一个对象，下次通过SelectorKey获取（给Server注册read事件其实是无效的）

SelectionKey sk=server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);

SelectionKey sk1=server.register(sel, SelectionKey.OP_READ&SelectionKey.OP_ACCEPT);

//任意时刻只有一种注册关系是有效的，实际上只是更新selectionkey的感兴趣集合，并不是新创建

//keyFor返回channel和该Selector的选择键

Assert.assertTrue(server.keyFor(sel)==sk);

Assert.assertTrue(server.keyFor(sel)==sk1);

int count=selector.select(100);

Select是一个阻塞操作，他会等待直到有感兴趣的事件，或者超过100m

注意到Selector是通过open这个工厂方法创建的，他会通过SelectorProvider来获取一个新的实例，关于SPI机制，请参考：Java SPI机制简介

4.2 selector的选择键集合以及选择过程

前面我们知道了，选择键(SelectionKey)代表了channel和Selector的注册关系，可以调用cancel()取消：

//取消channel和Selector的注册关系

sk1.cancel();

不过这种注销关系并不是立即生效的，实际上，选择器（Selector）会维护三种选择键（SelectionKey）的集合

1.已注册的键的集合（Registered key set），可能包括已经取消的键，通过keys()方法返回，无法修改

2.已准备好的选择键集合（Selected key set），1的子集，每个成员都是选择器判断相关的通道已经准备好，并且包含于键的interest集合中的某种操作（比如read），通过selectedKeys方法返回。如果要确定是具体某种操作，请使用readyOps确定。

3.已取消的键集合，但是还没被注销

当一个selector操作被调用的时候，会发生下面的事情：

1.检查已取消的键集合，如果非空，则将这键从另外两个集合中移出

2.检查已注册的键集合，每个键的interest事件集合会被检查，之后修改interest也不会影响后面的过程，然后会执行底层的查询，直到有感兴趣的事件或者超时

a) 在操作系统确定一个键的某个interest事件发生的时候，会确定这个键有没有在已选择的键集合中，如果没，则键加入到选择的集合，清空ready集合，并且设置该感兴趣的事件到ready

b) 如果已经在已选择的键中，那么更新ready（位操作）

c) 之后会重新执行1，这样可以取消那些在选择过程中有变更的通道

3.返回的是从上一个select之后，处于就绪状态的通道数量，如果已经在就绪集合中，不会累计；比如我们注册read，并且在使用之后SelectionKey不移出，那么下次再有read事件过来，select方法可能会返回0就不会被记录，但是不代表没有感兴趣的事件

延迟注销键的操作，是为了在选择的过程中减少不必要的同步，不然注销和选择就要形成一定的互斥，因为注销潜在的代价比较高，可能需要释放各种资源。关于SelectionKey的read和interest集合可以参考4.4

4.3 唤醒正在阻塞的selector操作

调用wakeup可以使阻塞在select方法的线程返回，当然如果当前没有阻塞的select方法，那么会让下一次select直接返回，他调用多次和一次的效果是一样的

不过很多时候，我们并不能确定是否有线程阻塞在select方法，也不想影响到下一次select（只是因为某些事件，临时唤醒一下），那可以在wakeup之后调用selectNow，他会立即返回，也抵消了wakeup的影响

4.4 支持的事件

在使用Selector的时候，需要将一个通道注册到上面，即：（通道在注册之前需要设置为非阻塞）

Selector selector = Selector.open( );

server.register(channel, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

第2个参数表示关心的通道操作，有4种：读（read）、写（write）、连接（connect）、接受（accept）；

不是所有的Channel都支持这些事件，比如SocketChannel不支持accept，可以通过validOps()来验证特定的通道所支持的操作集合。

Socket channels support connecting, reading, and writing, so this method returns (SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE).

Server-socket channels only support the accepting of new connections, so this method returns SelectionKey.OP_ACCEPT.

4.5 SelectionKey使用

4.5.1 interest和ready集合

一个Key包含两个以整数形式进行编码的比特掩码，

interest（集合）：指示哪些通道/选择器组合所关心的操作

ready（集合）：表示通道准备好要执行的操作

当前的interest集合可以通过调用键对象的interestOps()方法来获取，这个值不会被选择器改变，但是可以调用带参数的interestOps()方法改变，和上面一样，他会在下一次selector的时候生效；

key.interestOps()返回的是注册到该channel上的感兴趣的动作，key.readyOps()是该channel已经就绪的操作，ready集合是interest集合的子集，并且表示了interest集合中从上次调用select()以来已经就绪的那些操作,例如：注册channel感兴趣的动作是OP_READ,OP_WRITE,