Java NIO杂2

2015/10/25

scatter和gather用于描述从Channel中读取或者写入到Channel的操作

分散(scatter)从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。

聚集(gather)写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel。

scatter和gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合,例如传输一个由消息头和消息体组成的消息,你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中,这样你可以方便的处理消息头和消息体。

Scattering Reads

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);

ByteBuffer[] bufferArray = { hearder, body};

channel.read(bufferArray);

read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer,当一个buffer被写满后,channel紧接着向另一个buffer中写。

Scattering Reads在移动到下一个buffer前,必须填满当前的buffer,这也意味着它不适用于动态消息(消息大小不固定)。换句话说,如果存在消息头和消息体,消息头必须完成填充,Scattering Reads才能正常工作。

Gathering Writes

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

//write data into buffers

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.write(bufferArray);

write()方法会按照buffer在数组中的顺序,将数据写入到channel,注意只有position和limit之间的数据才能被写入。

Gathering Writes能较好的处理动态消息。

在Java NIO中,如果两个通道中有一个是FileChannel,那你可以直接将数据从一个channel传输到另一个channel。

transferFrom()

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();

long position = 0;
long count = fromChannel.size();

toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);

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

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。

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例:

Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector,如下:

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:

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, 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。

register()方法的第二个参数。这是一个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:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

某个channel成功连接到另一个服务器称为连接就绪SelectionKey.OP_CONNECT

一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为接收就绪SelectionKey.OP_ACCEPT

一个有数据可读的通道可以说是读就绪SelectionKey.OP_READ

等待写数据的通道可以说是写就绪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:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey

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)
interest集合

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:

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

用'位与'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。

int readySet = selectionKey.readyOps();
Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector:

Channel  channel  = selectionKey.channel();
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,或者包含聚集数据的某个对象,使用方法:

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

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

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一个或多个通道,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、已经准备就绪的那些通道。

也就是,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。

  • 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)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。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者多个通道就绪了,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:

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。

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();
}

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。

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

这里是一个完整的示例,打开一个Selector,注册一个通道注册到这个Selector上,然后持续监控这个Selector的四种事件(接受,连接,读,写)是否就绪

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;
  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();
  }
}

Reference

http://ifeve.com/java-nio-scattergather/

http://ifeve.com/java-nio-channel-to-channel/

http://ifeve.com/selectors/