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为高速网络使用select
摘要: 为高速网络使用select
概要：J2SE1.4加入了新的I/O库(NIO)允许在Java应用中使用高速I/O。IO使用了新的I/O模型，它与原有的I/O库使用的模型有着很大区别。这篇文章将一步一步教您使用NIO库中的select工具。select使您的服务器可以处理来自多个连接的大数据量。在对NIO库的简要介绍后，本文还讲解了select工具的原理，最后分析了一个利用select工作的服务器的源码。
Java使用了非常优雅的基于流的I/O模型。流是一种产生或消耗字节序列的对象。流可以与过滤程序连接在一起，扩展到可以处理各种不同的数据。流模型非常复杂，但是效率不高。这对于大多数应用来说还好，但当系统需要和硬件处理同样高的速度时，流模型就无法应付了。
J2SE1.4中引入了新I/O库(NIO)来解决这个问题。NIO使用面向缓冲(buffer)的模型。这就是说，NIO主要处理大块的数据。这就避免了利用流模型处理所引起的问题，在有可能的情况下，它甚至可以为了得到最大的吞吐量而使用系统级的工具。
第一次了解到NIO是如何工作的，我就将它应用到高速服务器应用中了。
NIO系统
NIO是基于通道(channels)和缓冲(buffers)这两个概念的。通道有点像流模型中的流。而缓冲在流模型中没有类似的概念。
基本流InputStream和OutputStream能够读写字节数据；它们的子类可以读写各种各样的数据。在NIO中，所有的数据都通过缓冲读写。从图1可以看到两种模型的比较。
同时要注意的还有流模型使用了InputStream和OutputStream分别用来读写数据，而NIO只使用通道来完成两者的功能。
使用缓冲的好处是它可以大块的处理数据。你可以读写大块数据，缓冲的大小只受你所分配的内存数量的限制。
缓冲的另一个好处是它可以表示系统级的缓冲。多种系统采用统一的内存配置完成I/O处理，而不需要将数据从系统内存中拷贝到应用程序的内存空间。buffer对象的不同实现可以直接表示这些系统级的缓冲，这就意味着你可以用最少的拷贝次数来完成对数据的读写(参看图2)。
select工具
select提供了一种很好的方法来完成大量的数据源并行处理。它的名字来源于Unix系统中提供相同功能的C程序系统调用select()。
通常，I/O属于阻塞式系统调用。当你对输入流调用read()方法，直到数据读入完成之前方法一直被阻塞。如果你读入本地文件就不需要等待很长时间。但是如果你从文件服务器或这是socket连接读取数据的话，那么你就要等很长时间。但你在等待过程中，你读取数据的线程将不能做任何事。
当然，在Java中你很容易为多个流创建多个线程。但是线程需要消耗大量的资源。在很多实现中，每个线程需要占用一块内存，即使它什么也不做。同时太多的线程会对性能造成很大的影响。
select采用不同的工作方式。通过selet你把输入流注册到一个Selector对象上。当某个流发生I/O活动时，selector将会通知你。以这种方式就可以只用一个线程读入多个数据源。尽管Selector不能帮你读取数据，但是它可以监听网络连接请求和越过较慢的通道进行写数据。
应用范例
我将建立一个简单的加密服务器来进一步说明select工具。这个程序取得客户数据，进行加密，然后再将加密后的数据返回给客户。我利用select工具接受连接请求和从现有连接中读取传入的数据。
因为本文不是在讨论加密，所以程序采用的加密方式并不重要。我只是用rot13过滤数据然后再将它返回。rot13过滤器只是简单的将每个字母循环向前13步，例如将a转变为n、b转变为o等等。当到了字母表的结尾后将回到开头继续循环，所以w就应该是j。
我不会同服务器一样详细介绍客户程序。你可以用系统中的telnet工具连接到服务器。我提供了一个测试程序向服务器申请大量的连接，以此来显示服务器在高负载下的工作性能。
使用Selectors
让我们来看一下Selector是如何工作的。在下面的范例中，我用Selector完成两个任务：接受连接请求和接受现有连接的请求数据。
监听连接请求
首先我要创立一个Selector对象。Selector是这个过程的核心对象；每个连接都必须对这个对象进行注册。静态方法Selector.open()可以创建Selector对象：
Selector selector = Selector.open();
因为我将要创建一个C/S系统，所以要监听ServerSocketChannel。我必须将它设置为非阻塞通道，只有这样它才可以被Selector使用：
ServerSocketChannel ssc = ...
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector, OP_ACCEPT);
SelectionKey.OP_ACCEPT参数告诉Selector我只想监听连接请求而不是普通数据。因为服务器套接字不接受普通得数据。
主循环
现在我已经对Selector进行了注册，让我们来开动它。因为我要不断的等待新的请求，所以我使用了一个无限循环，并在其中调用Selector的select()方法。
while (true) {
//察看是否有新的请求包括连接请求和现有连接的请求数据。
int num = selector.select();
//如果没有新的请求，将继续循环等待。
if (num == 0) {
continue;
}
//获得被发现请求的关键字并一个一个的处理它们。
Set keys = selector.selectedKeys();
Iterator it = keys.iterator();
while (it.hasNext()) {
//获得单个I/O请求的关键字
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
//...处理SelectionKey...
}
//删去关键字，因为你已经处理过它们了。
keys.clear();
}
注意，这个结构很像是在图形用户界面中使用的事件循环结构(event loop)。特别是和事件循环结构一样输入来自不同对象，而且我们不能预计输入发生的时间。
在循环中，select()返回发生I/O活动的通道的个数。如果返回0循环回到顶端继续等待，否则必须处理I/O活动。
这些I/O活动被描述为一个或多个SelectionKey对象。一个SelectionKey代表一个Selector上注册的一个通道。当Selector发现某个通道发生活动时，它返回与此通道相应的SelctionKey。
接收连接
一个SelctionKey可以表示多种I/O活动，你必须找出活动的类型。在我的代码中，只注册了ServerSockChannel一个通道，所以只需要处理这个通道的连接请求。
SelectionKey的readyOps()方法用来决定I/O活动的类型。这个方法返回一个bitmask(位掩码)来表示发生在这个通道上的活动的类型。可以检查它是否包含用来表示连接请求的OP_ACCEPT位：
if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) ==
SelectionKey.OP_ACCEPT) {
//接收连接请求。
Socket s = serverSocket.accept();
// ... 处理连接请求...
}
如果它是一个连接请求就使用阻塞式调用accept()得到一个连接。但是实际accept()并不会发生阻塞，因为Selector已经告诉我们有一个连接请求发生正在被等待处理。
现在连接已建立，让我们用它来接收数据。
监听传入数据
在接收到连接后，需要监听来自这些连接的传入数据。像注册服务器套接字监听连接请求一样，需要注册新的连接套接字来监听传入数据。和服务器套接字一样，也要将新的套接字设置为非阻塞。
因为至少有注册了一个连接套接字，所以我将要接收它或它们的数据。
//一定要将它设置为非阻塞，这样才可以使用Selector。
SocketChannel sc = socket.getChannel();
sc.configureBlocking( false );
//把它注册到selector，并设置为reading属性。
sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );
将Seletor设置为监听OP_READ活动，而不是OP_ACCEPT，这就意味着要监听输入数据，而不是连接请求。
回到循环顶端
有两种套接字注册到Selector上：服务器套接字和普通套接字。在循环顶端，再次调用select方法：
int num = selector.select();
现在任何套接字发生活动我都回收到通知，包括服务器套接字受到了连接请求和普通套接字收到数据。当连入更多的连接时，他们都会被注册到Seletor上。
传入数据
因为至少有一个普通套接字被注册，所以我将接收到其中之一的数据。当接收到数据时，套接字的readyOps()返回bitmask被设置为OP_READ，你可以获得这个SelectionKey(选择关键字)。
} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) ==
SelectionKey.OP_READ) {
SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
processInput( sc );
// ...
}
数据传入后，我将套接字更确切的是SocketChannel传递给加密程序。你可以从源代码中找到加密程序，它将传入的数据加密以后返回到客户端。
最终结果
这里有很多步骤，它们适合其它的select程序。所有的输入源都被注册到Selector上。在一个无限循环中不断的调用Selector的select()方法。每次该方法返回时代表某些输入源发生了活动。处理发生活动的输入源并继续循环。图3说明了这个过程。
完成服务器
上述代码只是一部分，完整的代码包括一个完整的主循环和proccessInput代码。从命令行启动该服务器进行测试：
java Server [端口]
然后，用telnet连接这个服务器。如果是同一台机器，你可以用localhost或127.0.0.1作为登录的主机名。
源代码中还包含一个Client.java文件，你可以用这个程序测试你的服务器。它有多个线程，每个线程都发送和读取数据。每个线程都用一个无限循环，不断的发送数据。如下方式可以用来运行它：
java Client [主机名] [端口] [线程个数]
综述
通过前面的讨论，select I/O模型是基于事件驱动(event-drivern)的。所有输入源被注册到一个Selector对象上，它等待着任何输入源的活动。这个模型不同于流模型，但它仍是一个实体模型。很大程度上，可以说select模型运行在流模型之上。从硬件角度来讲，I/O是基于事件驱动的，因为像网卡、键盘和磁盘等外设在发送数据前都不会发出通知。
流模型用缓冲掩盖了阻塞式I/O调用之后的事件驱动I/O的复杂性使得程序变得更简单。但当你需要更高的速度时，你需要越过流这一层直接使用I/O事件本身。
NIO库提供了非常优雅的基于缓冲的接口连接到Select模型。同时它也完全适合旧的流模型；实际上，旧的java.io.*包中的类现在都是基于java.nio.*的，因此它们可以很好的配合。
下载文章中的源代码>>>http://www.javaworld.com/javaworld/jw-04-2003/select/jw-0411-select.zip
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