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資訊專欄INFORMATION COLUMN

初探Java Socket

張漢慶 / 3193人閱讀

摘要：綁定完成后允許套接字進(jìn)行連接并等待連接。服務(wù)端根據(jù)報(bào)文返回響應(yīng)，并關(guān)閉連接。單線程服務(wù)器多進(jìn)程及多線程服務(wù)器復(fù)用服務(wù)器復(fù)用的多線程服務(wù)器單線程服務(wù)器一次只處理一個(gè)請(qǐng)求，直到其完成為止。

前言

本篇文章將涉及以下內(nèi)容：

IO實(shí)現(xiàn)Java Socket通信

NIO實(shí)現(xiàn)Java Socket通信

閱讀本文之前最好了解過(guò)：

Java IO

Java NIO

Java Concurrency

TCP/IP協(xié)議

TCP 套接字

TCP套接字是指IP號(hào)+端口號(hào)來(lái)識(shí)別一個(gè)應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)端到端的通訊。其實(shí)一個(gè)套接字也可以被多個(gè)應(yīng)用程序使用，但是通常來(lái)說(shuō)承載的是一個(gè)應(yīng)用程序的流量。建立在TCP連接之上最著名的協(xié)議為HTTP，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臑g覽器訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)通常都是使用HTTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

先來(lái)了解一下通過(guò)TCP套接字實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的通信。

在TCP客戶端發(fā)出請(qǐng)求之前，服務(wù)器會(huì)創(chuàng)建新的套接字(socket)，并將套接字綁定到某個(gè)端口上去(bind)，默認(rèn)情況下HTTP服務(wù)的端口號(hào)為80。綁定完成后允許套接字進(jìn)行連接(listen)并等待連接(accept)。這里的accept方法會(huì)掛起當(dāng)前的進(jìn)程直到有Socket連接。

在服務(wù)器準(zhǔn)備就緒后，客戶端就可以發(fā)起Socket連接?？蛻舳双@取服務(wù)器的Socket套接字(IP號(hào):端口號(hào))，并新建一個(gè)本地的套接字。然后連同本地的套接字發(fā)送到服務(wù)器上。

服務(wù)器accept該請(qǐng)求并讀取該請(qǐng)求。這里面包括有TCP的三次連接過(guò)程。連接建立之后，客戶端發(fā)送HTTP請(qǐng)求并等待響應(yīng)。服務(wù)端根據(jù)HTTP報(bào)文返回響應(yīng)，并關(guān)閉連接。

Web Server

當(dāng)下的Web服務(wù)器能夠同時(shí)支持?jǐn)?shù)千條連接，一個(gè)客戶端可能向服務(wù)器打開(kāi)一條或多條連接，這些連接的使用狀態(tài)各不相同，使用率也差異很大。如何有效的利用服務(wù)器資源提供低延時(shí)的服務(wù)成了每個(gè)服務(wù)器都需要考慮的問(wèn)題。根據(jù)服務(wù)器的處理方式，可以分為以下4種服務(wù)器，我們也將分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。

單線程服務(wù)器

多進(jìn)程及多線程服務(wù)器

復(fù)用IO服務(wù)器

復(fù)用的多線程服務(wù)器

單線程服務(wù)器

一次只處理一個(gè)請(qǐng)求，直到其完成為止。一個(gè)事務(wù)處理結(jié)束后，才會(huì)去處理下一條連接。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是性能堪憂。

多進(jìn)程及多線程服務(wù)器

可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建，或預(yù)先創(chuàng)建一下線程/進(jìn)程?？梢詾槊織l連接分配一個(gè)線程/進(jìn)程。但是當(dāng)強(qiáng)求數(shù)量過(guò)多時(shí)，過(guò)多的線程會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存和系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

復(fù)用I/O服務(wù)器

在復(fù)用結(jié)構(gòu)中，會(huì)同時(shí)監(jiān)視所有連接上的活動(dòng)，當(dāng)連接狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就對(duì)那條連接進(jìn)行少量的處理。處理結(jié)束后，就將連接返回到開(kāi)放連接列表中，等待下一次狀態(tài)的變化。之后在有事情可做時(shí)才會(huì)對(duì)連接進(jìn)行處理。在空閑連接上等待的時(shí)候不會(huì)綁定線程和進(jìn)程。

復(fù)用的多線程服務(wù)器

多個(gè)線程(對(duì)應(yīng)多個(gè)CPU)中的每一個(gè)都在觀察打開(kāi)的連接（或是打開(kāi)連接中的一個(gè)子集）。并對(duì)每條連接的狀態(tài)變化時(shí)執(zhí)行任務(wù)。

Socket通信基本實(shí)現(xiàn)

根據(jù)我們上面講述的Socket通信的步驟，在Java中我們可以按照以下方式逐步建立連接：

首先開(kāi)啟服務(wù)器端的SocketServer并且將其綁定到一個(gè)端口等待Socket連接：

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT_ID:int);
Socket socket = serverSocket.accept();

當(dāng)沒(méi)有Socket連接時(shí)，服務(wù)器會(huì)在accept方法處阻塞。

然后我們?cè)诳蛻舳诵陆ㄒ粋€(gè)Socket套接字并且連接服務(wù)器：

Socket socket = new Socket(SERVER_SOCKET_IP, SERVER_SOCKET_PORT);
socket.setSoTimeout(100000);

如果連接失敗的話，將會(huì)拋出異常說(shuō)明服務(wù)器當(dāng)前不可以使用。
連接成功給的話，客戶端就可以獲取Socket的輸入流和輸出流并發(fā)送消息。寫(xiě)入Socket的輸出流的信息將會(huì)先存儲(chǔ)在客戶端本地的緩存隊(duì)列中，滿足一定條件后會(huì)flush到服務(wù)器的輸入流。服務(wù)器獲取輸入后可以解析輸入的數(shù)據(jù)，并且將響應(yīng)內(nèi)容寫(xiě)入服務(wù)器的輸出流并返回客戶端。最后客戶端從輸入流讀取數(shù)據(jù)。

客戶端獲取Socket輸入輸出流，這里將字節(jié)流封裝為字符流。

//獲取Socket的輸出流，用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)端
PrintStream out = new PrintStream(socket.getOutputStream());
//獲取Socket的輸入流，用來(lái)接收從服務(wù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
BufferedReader buf =  new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)并等待響應(yīng)

String str = "hello world";
out.println(str);
String echo = buf.readLine();
System.out.println("收到消息：" + echo);

這里需要注意的是，IO流是阻塞式IO，因此在讀取服務(wù)端響應(yīng)的過(guò)程中（即buf.reaLine()這一行）會(huì)阻塞直到收到服務(wù)器響應(yīng)。

客戶端發(fā)送結(jié)束之后不要忘了關(guān)閉IO和Socket通信。

out.close();
buf.close();
socket.close();

服務(wù)器對(duì)消息的處理和客戶端類似，后面會(huì)貼上完整代碼。

Java Socket通信阻塞式通信實(shí)現(xiàn)

這里我們對(duì)上述的理論進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。這里我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的聊天室，只不過(guò)其中一方是Server角色而另一個(gè)為Client角色。二者都通過(guò)System.in流輸入數(shù)據(jù)，并發(fā)送給對(duì)方。正如我們前面所說(shuō)，IO流的通信是阻塞式的，因此在等待對(duì)方響應(yīng)的過(guò)程中，進(jìn)程將會(huì)掛起，我們這時(shí)候輸入的數(shù)據(jù)將要等到下一輪會(huì)話中才能被讀取。

client端

import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;

public class SocketClient {

    public static void send(String server, int port){
        try {
            Socket socket = new Socket(server, port);
            socket.setSoTimeout(100000);

            System.out.println("正在連接服務(wù)器");

            //從控制臺(tái)讀入數(shù)據(jù)
            BufferedReader input = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

            //獲取Socket的輸出流，用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)端
            PrintStream out = new PrintStream(socket.getOutputStream());
            //獲取Socket的輸入流，用來(lái)接收從服務(wù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
            BufferedReader buf =  new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            boolean running = true;
            while(running){
                System.out.print("輸入信息：");
                String str = input.readLine();
                out.println(str);

                if("bye".equals(str)){
                    running = false;
                }else{
                    try{
                        //從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)有個(gè)時(shí)間限制（系統(tǒng)自設(shè)，也可以自己設(shè)置），超過(guò)了這個(gè)時(shí)間，便會(huì)拋出該異常
                        String echo = buf.readLine();
                        System.out.println("收到消息：" + echo);
                    }catch(SocketTimeoutException e){
                        System.out.println("Time out, No response");
                    }
                }
            }

            input.close();
            socket.close();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        send("127.0.0.1", 2048);
    }
}

Server端

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //服務(wù)端在2048端口監(jiān)聽(tīng)客戶端請(qǐng)求的TCP連接
        ServerSocket server = new ServerSocket(2048);
        Socket client = null;
        boolean f = true;
        while(f){
            //等待客戶端的連接，如果沒(méi)有獲取連接
            client = server.accept();
            System.out.println("與客戶端連接成功！");
            //為每個(gè)客戶端連接開(kāi)啟一個(gè)線程
            new Thread(new ServerThread(client)).start();

        }
        server.close();
    }

}

服務(wù)器處理數(shù)據(jù)

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;

public class ServerThread implements Runnable{
    private Socket client = null;
    public ServerThread(Socket client){
        this.client = client;
    }

    @Override
    public void run() {
        try{
            //獲取Socket的輸出流，用來(lái)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)
            PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());

            //獲取Socket的輸入流，用來(lái)接收從客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
            BufferedReader buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));

            BufferedReader serverResponse = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            boolean flag =true;
            while(flag){
                //接收從客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
                String str =  buf.readLine();
                System.out.println("收到消息：" + str);
                if(str == null || "".equals(str)){
                    flag = false;
                }else{
                    if("bye".equals(str)){
                        flag = false;
                    }else{
                        //將接收到的字符串前面加上echo，發(fā)送到對(duì)應(yīng)的客戶端
                        System.out.print("發(fā)送回復(fù)：");
                        String response  = serverResponse.readLine();
                        out.println(response);
                    }
                }
            }
            out.close();
            client.close();
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以和小伙伴試試看，分別啟動(dòng)SocketServer和SocketClient并進(jìn)行通信。不過(guò)前提是你們兩個(gè)需要在一個(gè)局域網(wǎng)中。

Java實(shí)現(xiàn)單線程服務(wù)器

上面的服務(wù)器其實(shí)只在主線程監(jiān)聽(tīng)了一個(gè)Socket連接，并在30秒之后將其自動(dòng)關(guān)閉了。我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)經(jīng)典的單線程服務(wù)器。原理和上面相似，這里我們可以直接通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求來(lái)驗(yàn)證該服務(wù)器的運(yùn)行。

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SingleThreadServer implements Runnable{

    private ServerSocket serverSocket;

    public SingleThreadServer(ServerSocket serverSocket){
        this.serverSocket = serverSocket;
    }
    @Override
    public void run() {
        Socket socket = null;
        try{
            while (!Thread.interrupted()){
                socket = serverSocket.accept();

                //谷歌瀏覽器每次會(huì)發(fā)送兩個(gè)請(qǐng)求
                //一次用于獲取html
                //一次用于獲取favicon
                //如果獲取favicon成功就緩存，否則會(huì)一直請(qǐng)求獲得favicon
                //而火狐瀏覽器第一次也會(huì)發(fā)出這兩個(gè)請(qǐng)求
                //在獲得favicon失敗后就不會(huì)繼續(xù)嘗試獲取favicon
                //因此使用谷歌瀏覽器訪問(wèn)該Server的話，你會(huì)看到 連接成功 被打印兩次
                System.out.println("連接成功");
                process(socket);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
                serverSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void process(Socket socket){
        try {

            InputStreamReader inputStreamReader = null;
            BufferedOutputStream bufferedOutputStream = null;
            try{
                inputStreamReader = new InputStreamReader(socket.getInputStream());
                bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());

                //這里無(wú)法正常讀取輸入流，因?yàn)樵跊](méi)有遇到EOF之前，流會(huì)任務(wù)socket輸入尚未結(jié)束，將會(huì)繼續(xù)等待直到socket中斷
                //所以這里我們將暫時(shí)不讀取Socket的輸入流中的內(nèi)容。
                //int size;
                //char[] buffer = new char[1024];
                //StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
                //while ((size = inputStreamReader.read(buffer)) > 0){
                  //  stringBuilder.append(buffer, 0, size);
                //}


                byte[] responseDocument = " Hello World ".getBytes("UTF-8");
                byte[] responseHeader = ("HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Content-Length: " + responseDocument.length + "

").getBytes("UTF-8");

                bufferedOutputStream.write(responseHeader);
                bufferedOutputStream.write(responseDocument);
            }finally {
                bufferedOutputStream.close();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

該服務(wù)器用單一線程處理每次請(qǐng)求，每個(gè)線程都將等待服務(wù)器處理完上一個(gè)請(qǐng)求之后才能獲得響應(yīng)。這里需要注意，純HTTP請(qǐng)求的輸入流的讀取會(huì)遇到輸入流阻塞的問(wèn)題，因?yàn)镠TTP請(qǐng)求并沒(méi)有輸入流可識(shí)別的EOF標(biāo)記。從而導(dǎo)致服務(wù)器一直掛起在讀取輸入流的地方。它的解決方法如下：

客戶端關(guān)閉Socket連接，強(qiáng)制服務(wù)器關(guān)閉該Socket連接。但是同時(shí)也丟失服務(wù)器響應(yīng)

自定義協(xié)議，從而服務(wù)器可以識(shí)別數(shù)據(jù)的終點(diǎn)。

啟動(dòng)服務(wù)器

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(2048);
        executorService.execute(new SingleThreadServer(serverSocket));

//        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
//        System.out.println("shut down server");
//        executorService.shutdownNow();
    }

注意要先關(guān)閉之前占用2048端口號(hào)的服務(wù)器。

我們也可以使用代碼來(lái)測(cè)試：

import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TestSingleThreadServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0 ; i<10 ; i++){
            final int threadId = i;
            executorService.execute(() ->{

                try {
                    Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 20006);
                    socket.setSoTimeout(5000);

                    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                    String line = bufferedReader.readLine();

                    System.out.println(threadId + ":" + line);

                    socket.close();;
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            });

        }

        TimeUnit.SECONDS.sleep(40);
        executorService.shutdownNow();
    }
}
Java實(shí)現(xiàn)多線程服務(wù)器

這里我們將為每一個(gè)Socket連接提供一個(gè)線程來(lái)處理。基本實(shí)現(xiàn)和上面差不多，只是將每一個(gè)Socket連接丟給一個(gè)額外的線程來(lái)處理。這里可以參考前面的簡(jiǎn)易聊天室來(lái)試著自己實(shí)現(xiàn)以下。

Java NIO實(shí)現(xiàn)復(fù)用服務(wù)器

NIO的出現(xiàn)改變了舊式Java讀取IO流的方式。首先，它支持非阻塞式讀取，其次它可以使用一個(gè)線程來(lái)管理多個(gè)信道。多線程表面上看起來(lái)可以同時(shí)處理多個(gè)Socket通信，但是多線程的管理本身也消耗相當(dāng)多的資源。其次，很多信道的使用率往往并不高，一些信道往往并不是連通狀態(tài)中。如果我們可以將資源直接賦予當(dāng)前活躍的Socket通信的話，可以明顯的提高資源利用率。

先附上參考資料將在后序更新。

參考書(shū)籍 
HTTP權(quán)威指南
Java TCP/IP Socket 編程
Java Multithread servers
Java NIO ServerSocketChannel


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