Chapter .19-4 NIO 기반 입출력 및 네트워킹(TCP 넌블로킹 채널)

19.7 TCP 넌블로킹 채널

ServerSocketChannel, SocketChannel은 블로킹(blocking)방식도 지원하지만 넌블로킹(non-blocking) 방식도 지원한다.

이번 절에서는 넌블로킹 방식의 특징과 넌블로킹의 핵심 객체인 셀렉터(Selector)를 이해하고 채널을 넌블로킹 방식으로 사용하는 방법에 대해 알아보기로 하자.

 

19.7.1 넌블로킹 방식의 특징

블로킹 방식은 언제 클라이언트가 연결 요청을 할지 모르기 때문에 accpet()에서 블로킹된다.

 

그리고 언제 클라이언트가 데이터를 보낼지 모르므로 read() 메소드는 항상 데이터를 받을 준비를 하기 위해 블로킹 된다.

 

그렇기 때문에 ServerSocketChannel과 연결된 SocketChannel당 하나의 스레드가 할당되어야 한다.

따라서 연결된 클라이언트가 많을수록 스레드의 수가 증가하고 서버에 심각한 성능 문제를 유발할 수 있다.

 

이 문제를 해결하기 위해 지금까지는 스레드풀(ExecutorService)을 사용했었다.

 

자바는 블로킹 방식의 또 다른 해결책으로 넌블로킹 방식을 지원하고 있다.

넌블로킹 방식은 connect(), accpet(), read(), write() 메소드에서 블로킹이 없다.

클라이언트의 연결 요청이 없으면 accpt()는 즉시 null을 리턴한다.

 

그리고 클라이언트가 데이터를 보내지 않으면 read()는 즉시 0을 리턴하고, 매개값으로 전달한 ByteBuffer에는 어떤 데이터도 저장되지 않는다.

 

넌블로킹 방식에서 다음 코드는 클라이언트가 연결 요청을 하지 않으면 루프를 계속 돈다.

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accpt();
}

accpt() 메소드가 블로킹되지 않고 바로 리턴되기 때문에 클라이언트가 연결 요청을 보내기 전까지 while 블록 내의 코드가 쉴새 없이 실행되어 CPU가 과도하게 소비되는 문제점이 발생한다.

 

그래서 넌블로킹은 이벤트 리스너 역할을 하는 셀렉터(Selector)를 사용한다.

넌블로킹 채널에 Selector를 등록해 놓으면 클라이언트의 연결 요청이 들어오거나 데이터가 도착할 경우, 채널은 Selector에 통보한다.

 

Selector는 통보한 채널들을 선택해서 작업 스레드가 accpt() 또는 read() 메소드를 실행해서 즉시 작업을 처리하도록 한다.

 

Selector는 멀티 채널의 작업을 싱글 스레드에서 처리할 수 있도록 해주는 멀티플렉서(multiplextor)역할을 한다.

 

1) 채널은 Selector에 자신을 등록할 때 작업 유형을 키(SelectionKey)로 생성하고, Selector의 관신키셋(interest-set)에 저장 시킨다.

2) 클라이언트가 처리 요청을 하면 3)Selector는 관신키셋에 등록된 키 중에서 작업 처리 준비가 된 키를 선택된 키셋(selected-set)에 별도로 저장한다.

4) 그리고 작업 스레드가 선택된 키셋에 있는 키를 하나씩 꺼내어 키와 연관된 채널 작업을 처리하게 된다.

작업 스레드가 선택된 키셋에 있는 모든 키를 처리하게되면 선택된 키셋은 비워지고, Selector는 다시 관신키셋에서 작업 처리 준비가 된 키들을 선택해서 선택된 키셋을 채운다.

넌블로킹에서 작업 스레드를 꼭 하나만 사용할 필요는 없다.

채널 작업 처리시 (4)) 스레드풀을 사용할 수 있다.

 

작업 스레드가 블로킹되지 않기 때문에 적은 수의 스레드로 많은 양의 작업을 고속으로 처리할 수 있어 블로킹 방식보다는 서버의 성능이 향상될 수 있다.

 

19.7.2 셀렉터 생성과 등록

Selector는 정적 메소드인 open() 메소드를 호출하여 생성한다.

open() 메소드는 IOException이 발생할 수 있기 때문에 예외 처리가 필요하다.

try{
    Selector selector = Selector.open();
}catch(IOException e){

Selector에 등록할 수 있는 채널은 SelectableChannel의 하위 채널만 가능한데, TCP 통신에 사용되는 ServerSocketChannel, SocketChannel과 UDP 통신에 사용되는 DatagramChannel은 모두 SelectableChannel의 하위 클래스이므로 SAelector에 등록할 수 있다.

주의할 점은 넌블로킹으로 설정된 것만 가능하다.

다음은 ServerSocketChannel을 넌블로킹으로 설정하는 코드이다.

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

다음은 SocketChannel을 넌블로킹으로 설정하는 코드이다.

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
SocketChannel.configureBlocking(false);

각 채널은 register() 메소드를 이용해서 Selector에 등록하는데, 첫 번째 매개값은 Selector이고 두번째 매개값은 채널의 작업 유형이다.

SelectinKey selectionKey = serverSocketChannel.register(Selector sel, int ops);
SelectinKey selectionKey = socketChannel.register(Selector sel, int ops);

 

다음은 두번째 매개값으로 사용할 수 있는 작업 유형별 SelectionKey의 상수들이다.

두 번째 매개값인 작업 유형별 SelectionKey의 상수

registor()는 채널과 작업 유형 정볼르 담고 있는 SelectionKey를 생성하고 Selector의 관신키셋에 저장한 후 해당 SelectionKey를 리턴한다.

 

다음은 serverSocketChannel이 Selector에 자신의 작업 유형을 등록하는 코드이다.

SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.registor(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

ServerSocketChannel은 클라이언트 연결 수락 작업을 하므로 작업 유형은 OP_ACCEPT로 지정한다.

다음은 SocketChannel이 Selector에 자신의 작업 유형을 등록하는 코드이다.

SelectionKey selectionKey = socketCHannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
SelectionKey selectionKey = socketCHannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
SelectionKey selectionKey = socketCHannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

SocketChannel의 작업은 세 가지인데, 서버 연결 요청 작업은 OP_CONNECT, 읽기 작업은 OP_READ, 쓰기 작업은 OP_WRITE로 지정한다.

 

주의할 점은 동일한 SocketChannel로 두 가지 이상의 작업 유형을 등록할 수 없다.

즉, register()를 두 번 이상 호출할 수 없다.

등록은 한 번 만 하되, 작업 유형이 변경되면 이미 생성된 SelectionKey를 수정해야 한다.

 

register()가 리턴한 SelectionKey는 작업 유형 변경, 첨부 객체 저장, 채널 등록 취소 등을 할 떄 사용된다.

 

SelectionKey를 별도로 관리할 필요는 없는데, 채널이 Selector를 등록하면 채널의 keyFor() 메소드로 SelectionKey를 언제든지 얻을 수 있기 때문이다.

Selectionkey key = socketChannel.keyFor(selector);

 

 

19.7.3 선택된 키셋

- Selector의 select() 메소드

  • 관심 키셋의 SelectionKey로부터 작업 처리 준비가 되었다는 통보 올 때까지 블로킹

    – 최소한 하나의 SelectionKey로부터 작업 처리 준비가 되었다는 통보가 오면 리턴

    – 리턴값은 통보를 해온 SelectionKey의 수

 

Selector를 구동하려면 select() 메소드를 호출해야 한다.

select()는 관심키셋에 저장된 SelectionKey로부터 작업 처리 준비가 되었다는 통보가 올 때까지 대기(블로킹)한다.

 

최소한 하나의 SelectionKey로부터 작업 처리 준비가 되었다는 통보가 오면 리턴한다.

이때 리턴값은 통볼르 해온 SelectionKey의 수이다.

 

다음은 세 가지 종류의 select() 메소드를 설명한 표이다.

select() 메소드 종류

주로 첫번째 select()를 많이 사용하는데, 이 메소드는 블로킹되므로 UI 및 이벤트를 처리하는 스레드에서 호출되면 안 되고, 별도의 작업 스레드를 생성해서 실행해야 한다.

 

- select()가 리턴 되는 경우

 • 최소한 하나의 채널이 작업 처리 준비가 되었다는 통보를 할 때

 • Selector의 wakeup() 메소드를 호출할 때

 • select()를 호출한 스레드가 인터럽트될 때

 

- SelectionKey 의 작업 유형 변경

 • Selector의 wakeup() 메소드 호출

 • 블로킹되어 있는 select()  즉시 리턴

 • 변경된 작업 유형을 감시하도록 select() 재실행

 

- 선택된 키셋 얻기

 • select() 메소드가 1 이상의 값을 리턴 할 경우

 • selectedKeys() 메소드로 작업 처리 준비된 SelectionKey들을 Set  컬렉션으로 얻음

 

 

19.7.4 채널 작업 처리

작업 스레드가 해야 할 일은 선택된 키셋에서 SelectionKey를 하나씩 꺼내어 작업 유형별로 채널 작업을 처리하는 것이다.

SelectionKey가 어떤 작업 유형인지 알아내는 방법은 SelectionKey의 다음 메소드중에서 어떤 것이 true를 리턴하는지 조사하면 된다.

Thread thread = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
       		 while(true) {
                        try {
                            int keyCount = selector.select();
                            if(keyCount == 0) { continue; }
                            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                            Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
                                while (iterator.hasNext()) {
                                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                                    if(selectionKey.isAcceptable()) {
                                        accept(selectionKey);
                                    }else if (selectionKey.isReadable()) {
                                        Client client = (Client)selectionKey.attachment();
                                        client.receive(selectionKey);
                                    }else if (selectionKey.isWritable()) {
                                        Client client = (Client)selectionKey.attachment();
                                        client.send(selectionKey);
                                    }
                                    iterator.remove();
                                }
                       }catch(Exception e){
                            if(serverSocketChannel.isOpen()) { stopServer(); }
                            break;
                       }
                     }
             }
    };
		thread.start();

작업 스레드가 채널 작업ㅇ르 처리하면 채널 객체가 필요한데, SelectionKey의 channel() 메소드를 호출하면 얻을 수 있다.

 

다음은 작업 유형이 OP_ACCEPT일 경우, 연결 수락 작업 처리에서 필요한 ServerSocketChannel을 얻는 코드이다.

ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionkey.channel();

 

 

작업 스레드가 채널 작업을 처리하다 보면 채널 객체 이외에 다른 객체가 필요할 수 도 있다.

이러한 객체는 SelectionKey에 첨부해 두고, 사용할 수 있다.

 

SelectionKey의 attach() 메소드는 객체를 첨부하고, attachment() 메소드는 첨부된 객체를 얻을 때 사용한다.

 

다음은 Client객체를 SelectionKey에 첨부하고 얻어내는 코드이다.

//객체 첨부하기
Client client = new Client(socketChannel);
SelectionKey selectionKey = socketChannel.register(selector, SelctionKey.OP_READ);
selectionKey.attach(client); //객체를 첨부시킴

//첨부된 객체 얻기
if(selectionKey.isReadable()){
    Client client = (Client)selectionKey.attachment(); //첨부된 객체 얻기
}

 

 

19.7.5 채팅서버 구현

P1186 ~1195