网络编程–多路复用器select、poll、epol，javaNIO原理和实现
之前已经说过了BIO模型的原理和实现，并根据其不足（阻塞，多线程资源消耗等），介绍了内核的升级实现了accpet和read不阻塞的方法，以及介绍了channel和buffer的模型和实现。
上篇结束的时候提到了NIO（os层面）不足之处
承接上文，如果有很多的链接进来，单纯的NIO的使用，我们程序需要对所有链接进行地毯式的遍历，监听所有链接事件，大致java实现模型如下：
既然知道了上述模型的弊端，就会有解决的办法：如果程序不需要每次都地毯式的遍历所有链接，而是我们将所有链接（文件描述符）都告诉内核，内核只返回给我们其中有状态的IO，我们程序中只对这些链接进行遍历不就行了。
那接下来就说说这样实现思想的多路复用器的使用。
Select、poll（实现模型类似，当前以select讲解）
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);监视并等待多个文件描述符的属性变化（可读、可写或错误异常）。select()函数监视的文件描述符分 3 类，分别是writefds、readfds、和 exceptfds。调用后 select() 函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有错误异常），或者超时（ timeout 指定等待时间），函数才返回。当 select()函数返回后，可以通过遍历 fdset，来找到就绪的描述符。
大致模型如下：
将需要监控的文件描述符作为参数传递给select，select会只返回有事件的资源信息，这样就避免了地毯式遍历，浪费资源。
那么select又是怎么知道哪些是有事件的资源呢？或者说内核又是怎么实现select的呢？
select需要驱动程序的支持，驱动程序实现fops内的poll函数。select通过每个设备文件对应的poll函数提供的信息判断当前是否有资源可用(如可读或写)，如果有的话则返回可用资源的文件描述符个数，没有的话则睡眠，等待有资源变为可用时再被唤醒继续执行。
- select的睡眠过程
支持阻塞操作的设备驱动通常会实现一组自身的等待队列如读/写等待队列用于支持上层(用户层)所需的BLOCK或NONBLOCK操作。当应用程序通过设备驱动访问该设备时(默认为BLOCK操作)，若该设备当前没有数据可读或写，则将该用户进程插入到该设备驱动对应的读/写等待队列让其睡眠一段时间，等到有数据可读/写时再将该进程唤醒。
select就是巧妙的利用等待队列机制让用户进程适当在没有资源可读/写时睡眠，有资源可读/写时唤醒。
下面我们看看select睡眠的详细过程。
select会循环遍历它所监测的fd_set内的所有文件描述符对应的驱动程序的poll函数。驱动程序提供的poll函数首先会将调用select的用户进程插入到该设备驱动对应资源的等待队列(如读/写等待队列)，然后返回一个bitmask告诉select当前资源哪些可用。当select循环遍历完所有fd_set内指定的文件描述符对应的poll函数后，如果没有一个资源可用(即没有一个文件可供操作)，则select让该进程睡眠，一直等到有资源可用为止，进程被唤醒(或者timeout)继续往下执行。
通过上述的理解，select多路复用器有什么弊端呢？
我们发现
- 每次都要通过参数传递的形式将文件描述符传给select，进行对每个文件描述监听。过程中有一个文件描述符的拷贝过程，从用户控件–> 内核空间。
- select每次都需要对所有的文件描述符进行遍历，消耗性能。
针对上面问题，有什么改变的思想呢？
如果不用每次都将文件描述符拷贝给内核，不用每次都遍历所有文件描述符，而是让内核自己记录好所有的有事件的文件描述符，我们最终去取就行了。
2. epoll讲解
epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。
epoll 的3个系统调用：
- epoll_create ：创建一个epoll对象的文件描述符，同时开辟一个内核空间，将自己放到该空间中，空间的数据结构为红黑树。
- epoll_ctl : 将所有需要监听的链接加入到空间中。
- epoll_wait : 返回所有有时间的集合链表 。
实现模型如下：
通过以上了解，我们对比下selet，epoll不在需要从用户端拷贝fd_set到内核空间，而且也不用对任何fd进行遍历操作，时间复杂度从O(n)直接降到了O(1)，现实中，基本上都不使用select和poll，面对多连接的并发场景，基本上都选择使用epoll。
JAVA NIO对多路复用器的整合实现Selector
以上讲些的多路复用器的实现原理实现都是C和部分系统调用相关的代码，那么JAVA是怎么使用的多路复用器呢？
java在1.4之后推出了NIO（new nio） 其中一个核心组件就是selector，它就是对多路复用器的封装实现。（注：selector中的多路复用器可能是select、poll、epoll其中任意一个）
Selector 一般称 为选择器 ，当然你也可以翻译为 多路复用器 。它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接。
使用Selector的好处在于： 使用更少的线程来就可以来处理通道了， 相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销。
实现模型;
java代码演示，实现聊天功能：
package main.java.com.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
/**
* Created by cmm on 2021/6/12.
*/
public class NioServer {
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private Selector selector ;
NioServer(){
try {
// 1. 创建服务器端通道
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 2. 设置成非阻塞状态
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 3. 创建一个seletor选择器
/**
创建多路复用器：优先epoll
epoll ： 调用epoll_create 创建epoll对象，并开辟一个内存空间
select | poll ： 创建一个数组来存放文件描述符
*/
selector = Selector.open();
// 4. 建立服务器端
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
// 5. 将该服务器通道注册到选择器，并开始监控accpet事件
/**
select | poll ： 将文件描述符fd 放入数组中。
epoll ： 调用epoll_ctl,将文件描述符fd放入内存空间。
*/
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.print("服务器建立成...");
lisent(selector);
}catch (Exception e){
System.out.print("服务器建立异常");
}
}
// 实施监听
private void lisent(Selector selector) {
while (true){
try {
/**
select | poll : 查看数组，返回所有fd
epoll ： 查看红黑树中的fd
*/
selector.keys()
/**
select | poll ： 传入df，遍历查找有事件状态的IO
epoll ：调用epoll_wait
*/
if(selector.select(1000)>0){
// 1. 将活动的事件接收selector.selectedKeys()---获取所有活动的事件
Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while(iterator.hasNext()){
// 2. 迭代遍历一个个有事件的selectionkey
SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();
if(selectionKey.isAcceptable()){
// 3.接收链接
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
if(socketChannel.finishConnect()){
System.out.println("欢迎【客户端】"+socketChannel.getRemoteAddress()+"登录");
// 4.并将客户端也加入selector管理，同时开启read事件监听
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
}
// 5 处理可读事件
if(selectionKey.isReadable()){
ReadContent(selectionKey);
}
iterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 读取客户端信息
private void ReadContent(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
// 1. 接收客户端channel、
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
// 2. 创建缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 3. 读取信息
try {
int read = socketChannel.read(byteBuffer);
if(read>0){
System.out.println("【客户端】"+socketChannel.getRemoteAddress()+"说："+new String(byteBuffer.array()));
// 信息转发给其他客户端
for(SelectionKey selectionKeyother : selector.keys()){
Channel channel = selectionKeyother.channel();
// 屏蔽自己
if(channel instanceof SocketChannel && socketChannel!=channel){
SocketChannel socketChannelohter1 = (SocketChannel) channel;
socketChannelohter1.write(ByteBuffer.wrap(byteBuffer.array()));
}
}
}
}catch (Exception e){
selectionKey.cancel();
System.out.println("【客户端】"+socketChannel.getRemoteAddress()+"已下线");
}
}
public static void main(String[] args) {
new NioServer();
}
}总结
服务端将ServerSocketChannel注册到Selector，Selector轮训，通过selector.select()阻塞判断是否有监听事件到达，如果有事件到达，获取到事件SelectionKey的集合，通过迭代SelectionKey集合，判断事件类型，如果是连接事件，则把当前Channel注册到Selector，如果当前Channel有数据可读，则执行相应的操作，执行完成后移除当前SelectionKey，继续迭代处理下一个SelectionKey。
既然如上面所说， Oracle JDK在Linux已经默认使用epoll方式， 为什么netty还要提供一个基于epoll的实现呢？
这是stackoverflow上的一个问题。 Netty的核心开发者 Norman Maurer这么说的：
1. Netty的 epoll transport使用 epoll edge-triggered 而 java的 nio 使用
level-triggered。
2.另外netty epoll transport 暴露了更多的nio没有的配置参数， 如
TCP_CORK, SO_REUSEADDR等等所以后续开始说说Netty的模型和实现。
