【Java】NIO中Channel的注册源码分析

Channel的注册是在SelectableChannel中定义的：

public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
throws ClosedChannelException;

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
throws ClosedChannelException {
return register(sel, ops, null);
}

而其具体实现是在AbstractSelectableChannel中：

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops,
Object att)
throws ClosedChannelException {
synchronized (regLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
if ((ops & ~validOps()) != 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (blocking)
throw new IllegalBlockingModeException();
SelectionKey k = findKey(sel);
if (k != null) {
k.interestOps(ops);
k.attach(att);
}
if (k == null) {
// New registration
synchronized (keyLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
addKey(k);
}
}
return k;
}
}

其中regLock和keyLock是两个对象，分别用来做注册锁和key集合锁

// Lock for key set and count
private final Object keyLock = new Object();

// Lock for registration and configureBlocking operations
private final Object regLock = new Object();

isOpen判断Channel是否关闭，只有在Channel关闭后才会令isOpen返回false；接着检验传入进来的ops（SelectionKey的状态，包括OP_READ、OP_WRITE、OP_CONNECT、OP_ACCEPT四种）是否满足条件，validOps方法在不同的Channel子类中有不同的实现：
SocketChannel中：

public final int validOps() {
return (SelectionKey.OP_READ
| SelectionKey.OP_WRITE
| SelectionKey.OP_CONNECT);
}

那么ops只要是上面三种状态的任意一种或者一种以上，再和validOps的结果运算都为0，若是其他值则抛出IllegalArgumentException异常；
ServerSocketChannel中：

public final int validOps() {
return SelectionKey.OP_ACCEPT;
}

和上面同理ServerSocketChannel在注册时，只能传入OP_ACCEPT状态。

回到AbstractSelectableChannel的register方法，接下来是对blocking成员的判断，

boolean blocking = true;

这是很重要的一步，因为NIO是既支持阻塞模式也支持非阻塞模式，但是若使用非阻塞模式，那么必然需要Selector的轮询，若是在注册Selector之前没有通过Channel调用configureBlocking方法设置为非阻塞模式，那么就会在此时注册时抛出IllegalBlockingModeException异常。

configureBlocking方法的实现也是在AbstractSelectableChannel中：

public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
throws IOException {
synchronized (regLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
if (blocking == block)
return this;
if (block && haveValidKeys())
throw new IllegalBlockingModeException();
implConfigureBlocking(block);
blocking = block;
}
return this;
}

前两个判断逻辑都很简单，在Channel打开的情况下根据参数block设置阻塞或者非阻塞模式，注意到第二个判断说明重复设置相同的阻塞模式直接返回，而第三个判断则表明block 和blocking不相等，那么就是在之前设置为了非阻塞模式，而haveValidKeys则间接表明已经完成了注册，并且已经拥有了自己的SelectionKey集合，此时再设置为非阻塞模式就会引起IllegalBlockingModeException异常。

haveValidKeys方法：

private SelectionKey[] keys = null;
private int keyCount = 0;

private boolean haveValidKeys() {
synchronized (keyLock) {
if (keyCount == 0)
return false;
for (int i = 0; i < keys.length; i++) {
if ((keys[i] != null) && keys[i].isValid())
return true;
}
return false;
}
}

逻辑比较简单，先检查keys的个数，为0直接返回没有可用的SelectionKey，接着遍历keys集合，找到一个可用的就返回true，其中isValid方法在AbstractSelectionKey中实现：

private volatile boolean valid = true;

public final boolean isValid() {
return valid;
}

可以看到在初始化时valid = true就代表自身是可用状态，当SelectionKey执行cancel方法撤销时或者在Channel关闭时的撤销都会改变：

public final void cancel() {
// Synchronizing "this" to prevent this key from getting canceled
// multiple times by different threads, which might cause race
// condition between selector's select() and channel's close().
synchronized (this) {
if (valid) {
valid = false;
((AbstractSelector)selector()).cancel(this);
}
}
}

Channel关闭时的撤销在后续的博客给出，这里先不讨论。

在configureBlocking中的implConfigureBlocking是一个抽象方法，具体的实现和使用的Channel有关，ServerSocketChannel和SocketChannel的实现分别是在ServerSocketChannelImpl和
SocketChannelImpl中，这两个的实现方式也是完全一样：

protected void implConfigureBlocking(boolean var1) throws IOException {
IOUtil.configureBlocking(this.fd, var1);
}

而IOUtil的configureBlocking方法是一个native方法，主要是对底层的操作，这里就不讨论了。

继续回到AbstractSelectableChannel的register方法，在对阻塞模式判断完毕后，调用findKey方法：

private SelectionKey findKey(Selector sel) {
synchronized (keyLock) {
if (keys == null)
return null;
for (int i = 0; i < keys.length; i++)
if ((keys[i] != null) && (keys[i].selector() == sel))
return keys[i];
return null;
}
}

在同步块中，首先判断keys是否初始化过，如果是第一次注册，那么keys必定为null，直接就返回null结束；否则已经注册过，则遍历keys这个SelectionKey集合，找的传入的Selector 持有的SelectionKey后直接返回该SelectionKey对象，若没找到则返回null；

接着对findKey方法的返回值k判断
若k不为null，则说明注册过这个Selector ，先调用interestOps方法，该方法是在SelectionKeyImpl中实现的：

public SelectionKey interestOps(int var1) {
this.ensureValid();
return this.nioInterestOps(var1);
}

首先通过ensureValid检验当前的SelectionKey是否可用（没有被撤销，调用cancel方法会撤销）：

private void ensureValid() {
if (!this.isValid()) {
throw new CancelledKeyException();
}
}

比较简单，使用之前说过的isValid方法，检查当前SelectionKey是否可用
nioInterestOps方法：

public SelectionKey nioInterestOps(int var1) {
if ((var1 & ~this.channel().validOps()) != 0) {
throw new IllegalArgumentException();
} else {
this.channel.translateAndSetInterestOps(var1, this);
this.interestOps = var1;
return this;
}
}

这个判断和一开始的register中的检查ops状态是否合法一样，若是合法需要调用Channel的translateAndSetInterestOps方法，同样不同的Channel有不同的实现：

SocketChannel是在SocketChannelImpl中实现的：

public void translateAndSetInterestOps(int var1, SelectionKeyImpl var2) {
int var3 = 0;
if ((var1 & 1) != 0) {
var3 |= Net.POLLIN;
}

if ((var1 & 4) != 0) {
var3 |= Net.POLLOUT;
}

if ((var1 & 8) != 0) {
var3 |= Net.POLLCONN;
}

var2.selector.putEventOps(var2, var3);
}

之前说过SelectionKey有四种状态：

public static final int OP_READ = 1 << 0;              // 0
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;             // 4
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;         // 8
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;          // 16

正如之前所说的SocketChannel只允许存在OP_READ、OP_WRITE 、OP_CONNECT 这三种状态，所以上面就根据这三种状态得到对应的POLL事件，最后给SelectionKey绑定的Selector设置POLL事件响应。

putEventOps的实现是在WindowsSelectorImpl中：

public void putEventOps(SelectionKeyImpl var1, int var2) {
Object var3 = this.closeLock;
synchronized(this.closeLock) {
if (this.pollWrapper == null) {
throw new ClosedSelectorException();
} else {
int var4 = var1.getIndex();
if (var4 == -1) {
throw new CancelledKeyException();
} else {
this.pollWrapper.putEventOps(var4, var2);
}
}
}
}

还是一样若是Selector关闭则抛出异常，否则得到SelectionKey的index（在Selector中存储的SelectionKey数组的下标），判断下标的合法性，然后给pollWrapper设置事件响应，而pollWrapper的putEventOps方法是一个native方法，这里就不仔细讨论了。

pollWrapper是存放socket句柄fdVal和事件响应events的，用八个位来存储一对。

而ServerSocketChannel的translateAndSetInterestOps实现和上面一样，只不过只负责OP_ACCEPT 状态：

public void translateAndSetInterestOps(int var1, SelectionKeyImpl var2) {
int var3 = 0;
if ((var1 & 16) != 0) {
var3 |= Net.POLLIN;
}

var2.selector.putEventOps(var2, var3);
}

还是回到AbstractSelectableChannel的register方法中，interestOps调用结束后调用SelectionKey的attach方法：

private volatile Object attachment = null;

private static final AtomicReferenceFieldUpdater<SelectionKey,Object>
attachmentUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(
SelectionKey.class, Object.class, "attachment"
);

public final Object attach(Object ob) {
return attachmentUpdater.getAndSet(this, ob);
}

这里直接使用了原子更新器对象来更新attachment 。

k不为null的情况解决了，接下来就是解决k为null的情况，即第一次注册，或者是再次注册没有找到和Selector对应的的SelectionKey。
首先在同步块内还是先检查Channel是否关闭，若没有关闭，调用AbstractSelector的register方法完成Selector对SelectionKey的注册：
而这个register方法的实现是在SelectorImpl中：

protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel var1, int var2, Object var3) {
if (!(var1 instanceof SelChImpl)) {
throw new IllegalSelectorException();
} else {
SelectionKeyImpl var4 = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)var1, this);
var4.attach(var3);
Set var5 = this.publicKeys;
synchronized(this.publicKeys) {
this.implRegister(var4);
}

var4.interestOps(var2);
return var4;
}
}

检查Channel类型是否符合，然后直接创建一个SelectionKeyImpl对象：

final SelChImpl channel;
public final SelectorImpl selector;

SelectionKeyImpl(SelChImpl var1, SelectorImpl var2) {
this.channel = var1;
this.selector = var2;
}

SelectionKeyImpl构造很简单，直接给两个成员赋值；然后调用SelectionKeyImpl对象的attach方法更新附件，接着在同步块中调用抽象方法implRegister
implRegister方法是在WindowsSelectorImpl中实现的：

protected void implRegister(SelectionKeyImpl var1) {
Object var2 = this.closeLock;
synchronized(this.closeLock) {
if (this.pollWrapper == null) {
throw new ClosedSelectorException();
} else {
this.growIfNeeded();
this.channelArray[this.totalChannels] = var1;
var1.setIndex(this.totalChannels);
this.fdMap.put(var1);
this.keys.add(var1);
this.pollWrapper.addEntry(this.totalChannels, var1);
++this.totalChannels;
}
}
}

首先调用growIfNeeded方法，因为Selector选择器解决非阻塞，就是使用轮询的方式，它存储了一个SelectionKeyImpl数组，而SelectionKeyImpl记录了channel以及SelectionKey的状态，那么就是根据SelectionKey的状态和channel来完成通信。由于在服务端的时候需要和多个客户端连接，那么这个数组必定是动态维持的，所以就考虑到扩容。

private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];
private int totalChannels = 1;

可以看到这个channelArray一开始固定初始化大小是8，而totalChannels 一开始就是1，这是为了方便后面的操作，channelArray 中下标为0的元素没用使用，直接从下标为1开始。

growIfNeeded方法：

private void growIfNeeded() {
if (this.channelArray.length == this.totalChannels) {
int var1 = this.totalChannels * 2;
SelectionKeyImpl[] var2 = new SelectionKeyImpl[var1];
System.arraycopy(this.channelArray, 1, var2, 1, this.totalChannels - 1);
this.channelArray = var2;
this.pollWrapper.grow(var1);
}

if (this.totalChannels % 1024 == 0) {
this.pollWrapper.addWakeupSocket(this.wakeupSourceFd, this.totalChannels);
++this.totalChannels;
++this.threadsCount;
}

}

因为totalChannels 是从1开始，所以直接判断totalChannels是否达到了数组长度，若已达到就需要扩容，可以看到每次扩容都是原来两倍，从原数组下标为1的地方开始一直到最后一个元素，拷贝到新数组下标为1的位置上，再更新channelArray，同时还要给pollWrapper扩容。

pollWrapper的grow方法：

void grow(int var1) {
PollArrayWrapper var2 = new PollArrayWrapper(var1);

for(int var3 = 0; var3 < this.size; ++var3) {
this.replaceEntry(this, var3, var2, var3);
}

this.pollArray.free();
this.pollArray = var2.pollArray;
this.size = var2.size;
this.pollArrayAddress = this.pollArray.address();
}

void replaceEntry(PollArrayWrapper var1, int var2, PollArrayWrapper var3, int var4) {
var3.putDescriptor(var4, var1.getDescriptor(var2));
var3.putEventOps(var4, var1.getEventOps(var2));
}

逻辑很简单，就是把原来的socket句柄fdVal和事件响应events复制到新的PollArrayWrapper对象中，且位置不变。

再回到growIfNeeded，可以看到第二个判断是检查totalChannels是否达到了1024的整数次方（totalChannels初始是1，排除0），若是则需要pollWrapper.addWakeupSocket(this.wakeupSourceFd, this.totalChannels)这个操作在WindowsSelectorImpl构造方法时也被调用：

WindowsSelectorImpl(SelectorProvider var1) throws IOException {
super(var1);
this.wakeupSourceFd = ((SelChImpl)this.wakeupPipe.source()).getFDVal();
SinkChannelImpl var2 = (SinkChannelImpl)this.wakeupPipe.sink();
var2.sc.socket().setTcpNoDelay(true);
this.wakeupSinkFd = var2.getFDVal();
this.pollWrapper.addWakeupSocket(this.wakeupSourceFd, 0);
}

addWakeupSocket方法：

void addWakeupSocket(int var1, int var2) {
this.putDescriptor(var2, var1);
this.putEventOps(var2, Net.POLLIN);
}

可以看到设置的事件响应是Net.POLLIN，其实就对应OP_READ，而这个wakeupSourceFd是初始化时就设置的wakeupPipe的source的描述符fdVal，即一开始建立的ServerSocketChannel端的SocketChannel（SourceChannel）的描述符fdVal，之前说过Selector的select方法是一个阻塞的操作，调用select方法时只有注册在Selector上的Channel有事件就绪时才会被唤醒；如果说有很多Channel注册了，但是只有一个Channel事件就绪，那么岂不是要做很多无用的轮询，而fdVal就是解决这个问题，实际上交给操作系统的轮询的是wakeupSourceFd，操作系统在轮询pollWrapper中的这些wakeupSourceFd描述符后就能知道哪些wakeupSourceFd上有事件就绪。
可以看到在growIfNeeded后面有一个++this.threadsCount操作，实际上Channel事件的轮询是交给线程来做的，WindowsSelectorImpl中有如下成员：

private int threadsCount = 0;
private final List<WindowsSelectorImpl.SelectThread> threads = new ArrayList();

SelectThread是Thread的子类，threadsCount记录轮询线程个数。
那么就有这种关系，在pollWrapper中，总是以wakeupSourceFd描述符开头，后面跟着1024个Channel的描述，再往后就又是这种形式；那么操作系统在轮询pollWrapper中的这些wakeupSourceFd知道哪些wakeupSourceFd上有事件就绪，进而得到pollWrapper中的wakeupSourceFd起始的偏移地址，每个线程只负责轮询1024个Channel的描述，哪个wakeupSourceFd上有事件就绪，就让负责的线程去轮询，这样就减少了不必要的轮询。
所以在totalChannels达到1024的整数次方时，需要增加新的轮询线程。

growIfNeeded方法结束，channelArray中增添新的SelectionKeyImpl，并且设置下标（呼应前面获取下标的操作），然后将SelectionKeyImpl存放在fdMap
fdMap保存的时Channel的描述符和SelectionKeyImpl的映射关系：

private static final class MapEntry {
SelectionKeyImpl ski;
long updateCount = 0L;
long clearedCount = 0L;

MapEntry(SelectionKeyImpl var1) {
this.ski = var1;
}
}

private static final class FdMap extends HashMap<Integer, WindowsSelectorImpl.MapEntry> {
static final long serialVersionUID = 0L;

private FdMap() {
}

private WindowsSelectorImpl.MapEntry get(int var1) {
return (WindowsSelectorImpl.MapEntry)this.get(new Integer(var1));
}

private WindowsSelectorImpl.MapEntry put(SelectionKeyImpl var1) {
return (WindowsSelectorImpl.MapEntry)this.put(new Integer(var1.channel.getFDVal()), new WindowsSelectorImpl.MapEntry(var1));
}

private WindowsSelectorImpl.MapEntry remove(SelectionKeyImpl var1) {
Integer var2 = new Integer(var1.channel.getFDVal());
WindowsSelectorImpl.MapEntry var3 = (WindowsSelectorImpl.MapEntry)this.get(var2);
return var3 != null && var3.ski.channel == var1.channel ? (WindowsSelectorImpl.MapEntry)this.remove(var2) : null;
}
}

代码逻辑都很简单，就不详细介绍了。

接着调用keys的add方法，keys是父类SelectorImpl的成员：

protected HashSet<SelectionKey> keys = new HashSet();

接着调用pollWrapper的addEntry方法：

void addEntry(int var1, SelectionKeyImpl var2) {
this.putDescriptor(var1, var2.channel.getFDVal());
}

可以看到仅仅是添加了channel的描述符fdVal，还没有设置事件响应，最后totalChannels自增implRegister方法结束。

回到SelectorImpl的register方法，在implRegister方法结束后，调用SelectionKeyImpl的interestOps方法，前面说过的，在此时设置了事件响应，最后返回SelectionKeyImpl对象赋给AbstractSelectableChannel方法中的k，之后调用addKey方法，返回k，register方法调用全部结束。

addKey方法：

private void addKey(SelectionKey k) {
assert Thread.holdsLock(keyLock);
int i = 0;
if ((keys != null) && (keyCount < keys.length)) {
// Find empty element of key array
for (i = 0; i < keys.length; i++)
if (keys[i] == null)
break;
} else if (keys == null) {
keys =  new SelectionKey[3];
} else {
// Grow key array
int n = keys.length * 2;
SelectionKey[] ks =  new SelectionKey
;
for (i = 0; i < keys.length; i++)
ks[i] = keys[i];
keys = ks;
i = keyCount;
}
keys[i] = k;
keyCount++;
}

逻辑很清晰，首先检查有没有没有使用的key，若存在，直接用k覆盖结束；若keys没有初始化大小为3的数组，先初始化keys，再将k放在下标为0的位置结束；若是keys已经初始化且keyCount == keys.length，就需要给keys扩容，并将原来的元素拷贝，最后将k放在新keys下标为keyCount的位置。

Channel的注册到此全部结束。