基於Java實作Socket程式設計的方法
- 王林轉載
- 2023-05-17 08:37:292202瀏覽
認識Socket
socket，又稱套接字，是在不同的進程間進行網路通訊的一種協定、約定或者說是規範。
對於socket編程，它更多的時候像是基於TCP/UDP等協定做的一層封裝或說抽象，是一套系統所提供的用於進行網路通訊相關編程的介面。
建立socket的基本流程
我們以linux作業系統提供的基本api為例，了解建立一個socket通訊的基本流程：
可以看到本質上，socket是對tcp連接（當然也有可能是udp等其他連接）協議，在程式設計層面上的簡化和抽象。
1.最基本的Socket示範
1.1 單向通訊
首先，我們從只發送和接收一次訊息的socket基礎程式碼開始：
#服務端:
package com.marklux.socket.base;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* The very basic socket server that only listen one single message.
*/
public class BaseSocketServer {
private ServerSocket server;
private Socket socket;
private int port;
private InputStream inputStream;
private static final int MAX_BUFFER_SIZE = 1024;
public int getPort() {
return port;
}
public void setPort(int port) {
this.port = port;
}
public BaseSocketServer(int port) {
this.port = port;
}
public void runServerSingle() throws IOException {
this.server = new ServerSocket(this.port);
System.out.println("base socket server started.");
// the code will block here till the request come.
this.socket = server.accept();
this.inputStream = this.socket.getInputStream();
byte[] readBytes = new byte[MAX_BUFFER_SIZE];
int msgLen;
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
while ((msgLen = inputStream.read(readBytes)) != -1) {
stringBuilder.append(new String(readBytes,0,msgLen,"UTF-8"));
}
System.out.println("get message from client: " + stringBuilder);
inputStream.close();
socket.close();
server.close();
}
public static void main(String[] args) {
BaseSocketServer bs = new BaseSocketServer(9799);
try {
bs.runServerSingle();
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}客戶端:
package com.marklux.socket.base;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.Socket;
/**
* The very basic socket client that only send one single message.
*/
public class BaseSocketClient {
private String serverHost;
private int serverPort;
private Socket socket;
private OutputStream outputStream;
public BaseSocketClient(String host, int port) {
this.serverHost = host;
this.serverPort = port;
}
public void connetServer() throws IOException {
this.socket = new Socket(this.serverHost, this.serverPort);
this.outputStream = socket.getOutputStream();
// why the output stream?
}
public void sendSingle(String message) throws IOException {
try {
this.outputStream.write(message.getBytes("UTF-8"));
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
this.outputStream.close();
this.socket.close();
}
public static void main(String[] args) {
BaseSocketClient bc = new BaseSocketClient("127.0.0.1",9799);
try {
bc.connetServer();
bc.sendSingle("Hi from mark.");
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}先執行服務端，再執行客戶端，就可以看到效果。
注意這裡的IO操作實現，我們使用了一個大小為
MAX_BUFFER_SIZE的byte數組作為緩衝區，然後從輸入流中取出位元組放置到緩衝區，再從緩衝區中取出位元組建構到字串中去，這在輸入流檔案很大時非常有用，事實上，後面要講到的NIO也是基於這種思路實現的。
1.2 雙向通信
上面的範例只實現了一次單向的通信，這顯然有點浪費通道。 socket連線支援全雙工的雙向通訊（底層是tcp），在下面的範例中，服務端在收到客戶端的訊息後，將傳回給客戶端一個回執。
並且我們使用了一些java.io包裝好的方法，來簡化整個通訊的流程（因為訊息長度不大，不再使用緩衝區）。
服務端:
public void runServer() throws IOException {
this.serverSocket = new ServerSocket(port);
this.socket = serverSocket.accept();
this.inputStream = socket.getInputStream();
String message = new String(inputStream.readAllBytes(), "UTF-8");
System.out.println("received message: " + message);
this.socket.shutdownInput(); // 告诉客户端接收已经完毕，之后只能发送
// write the receipt.
this.outputStream = this.socket.getOutputStream();
String receipt = "We received your message: " + message;
outputStream.write(receipt.getBytes("UTF-8"));
this.outputStream.close();
this.socket.close();
}客戶端:
public void sendMessage(String message) throws IOException {
this.socket = new Socket(host,port);
this.outputStream = socket.getOutputStream();
this.outputStream.write(message.getBytes("UTF-8"));
this.socket.shutdownOutput(); // 告诉服务器，所有的发送动作已经结束，之后只能接收
this.inputStream = socket.getInputStream();
String receipt = new String(inputStream.readAllBytes(), "UTF-8");
System.out.println("got receipt: " + receipt);
this.inputStream.close();
this.socket.close();
}注意這裡我們在服務端接受到訊息以及客戶端發送訊息後，分別調用了
shutdownInput()和shutdownOutput()而不是直接close對應的stream，這是因為在關閉任何一個stream，都會直接導致socket的關閉，也就無法進行後面回執的發送了。但是要注意，在呼叫
shutdownInput()和shutdownOutput()之後，對應的串流也會關閉，不能再向socket傳送/寫入了。
2. 發送更多的訊息：結束的界定
剛才的兩個例子中，每次開啟串流，都只能進行一次寫入/讀取操作，結束後對應流被關閉，就無法再次寫入/讀取了。
在這種情況下，若需發送兩個訊息，則必須建立兩個socket，這既會耗費資源，也會帶來不便。其實我們完全可以不關閉對應的流，只要分次寫入訊息就可以了。
但是這樣的話，我們就必須面對另一個問題：如何判斷一次訊息發送的結束呢？
2.1 使用特殊符號
最簡單的方法是使用一些特殊的符號來標記一次發送完成，服務端只要讀到對應的符號就可以完成一次讀取，然後進行相關的處理操作。
下面的範例中我們使用換行符號\n來標記一次發送的結束，服務端每接收到一個訊息，就列印一次，並且使用了Scanner來簡化操作:
服務端:
public void runServer() throws IOException {
this.server = new ServerSocket(this.port);
System.out.println("base socket server started.");
this.socket = server.accept();
// the code will block here till the request come.
this.inputStream = this.socket.getInputStream();
Scanner sc = new Scanner(this.inputStream);
while (sc.hasNextLine()) {
System.out.println("get info from client: " + sc.nextLine());
} // 循环接收并输出消息内容
this.inputStream.close();
socket.close();
}客戶端:
public void connetServer() throws IOException {
this.socket = new Socket(this.serverHost, this.serverPort);
this.outputStream = socket.getOutputStream();
}
public void send(String message) throws IOException {
String sendMsg = message + "\n"; // we mark \n as a end of line.
try {
this.outputStream.write(sendMsg.getBytes("UTF-8"));
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
// this.outputStream.close();
// this.socket.shutdownOutput();
}
public static void main(String[] args) {
CycleSocketClient cc = new CycleSocketClient("127.0.0.1", 9799);
try {
cc.connetServer();
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (sc.hasNext()) {
String line = sc.nextLine();
cc.send(line);
}
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}運行後效果是，客戶端每輸入一行文字按下回車後，服務端就會列印出對應的訊息讀取記錄。
2.2 根據長度界定
回到原點，我們之所以不好定位訊息什麼時候結束，是因為我們不能夠確定每次訊息的長度。
那麼其實可以先將訊息的長度傳送出去，當服務端知道訊息的長度後，就能夠完成一次訊息的接收了。
總的來說，發送一次訊息變成了兩個步驟
發送訊息的長度
發送訊息
最後的問題是，「發送訊息的長度」這一步驟所發送的位元組量必須是固定的，否則我們仍然會陷入僵局。
一般來說，我們可以使用固定的位元組數來保存訊息的長度，例如規定前2個位元組就是訊息的長度，不過這樣我們能夠傳送的訊息最大長度也就被固定死了，以2個位元組為例，我們發送的訊息最大長度不超過2^16個位元組即64K。
如果你了解一些字元的編碼，就會知道，其實我們可以使用變長的空間來儲存訊息的長度，例如：
第一位元組首位為0：即0XXXXXXX，表示長度就一個字節，最大128，表示128B
第一個字節首位為110，那麼附帶後面一個字節表示長度：即110XXXXX 10XXXXXX，最大2048，表示2K
第一個位元組首位為1110，則附帶後面二個字節表示長度：即110XXXXX 10XXXXXX 10XXXXXX，最大131072，表示128K
依次類推
当然这样实现起来会麻烦一些，因此下面的例子里我们仍然使用固定的两个字节来记录消息的长度。
服务端:
public void runServer() throws IOException {
this.serverSocket = new ServerSocket(this.port);
this.socket = serverSocket.accept();
this.inputStream = socket.getInputStream();
byte[] bytes;
while (true) {
// 先读第一个字节
int first = inputStream.read();
if (first == -1) {
// 如果是-1，说明输入流已经被关闭了，也就不需要继续监听了
this.socket.close();
break;
}
// 读取第二个字节
int second = inputStream.read();
int length = (first << 8) + second; // 用位运算将两个字节拼起来成为真正的长度
bytes = new byte[length]; // 构建指定长度的字节大小来储存消息即可
inputStream.read(bytes);
System.out.println("receive message: " + new String(bytes,"UTF-8"));
}
}客户端:
public void connetServer() throws IOException {
this.socket = new Socket(host,port);
this.outputStream = socket.getOutputStream();
}
public void sendMessage(String message) throws IOException {
// 首先要把message转换成bytes以便处理
byte[] bytes = message.getBytes("UTF-8");
// 接下来传输两个字节的长度，依然使用移位实现
int length = bytes.length;
this.outputStream.write(length >> 8); // write默认一次只传输一个字节
this.outputStream.write(length);
// 传输完长度后，再正式传送消息
this.outputStream.write(bytes);
}
public static void main(String[] args) {
LengthSocketClient lc = new LengthSocketClient("127.0.0.1",9799);
try {
lc.connetServer();
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (sc.hasNextLine()) {
lc.sendMessage(sc.nextLine());
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}3. 处理更多的连接：多线程
3.1 同时实现消息的发送与接收
在考虑服务端处理多连接之前，我们先考虑使用多线程改造一下原有的一对一对话实例。
在原有的例子中，消息的接收方并不能主动地向对方发送消息，换句话说我们并没有实现真正的互相对话，这主要是因为消息的发送和接收这两个动作并不能同时进行，因此我们需要使用两个线程，其中一个用于监听键盘输入并将其写入socket，另一个则负责监听socket并将接受到的消息显示。
出于简单考虑，我们直接让主线程负责键盘监听和消息发送，同时另外开启一个线程用于拉取消息并显示。
消息拉取线程 ListenThread.java
public class ListenThread implements Runnable {
private Socket socket;
private InputStream inputStream;
public ListenThread(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() throws RuntimeException{
try {
this.inputStream = socket.getInputStream();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e.getMessage());
}
while (true) {
try {
int first = this.inputStream.read();
if (first == -1) {
// 输入流已经被关闭，无需继续读取
throw new RuntimeException("disconnected.");
}
int second = this.inputStream.read();
int msgLength = (first<<8) + second;
byte[] readBuffer = new byte[msgLength];
this.inputStream.read(readBuffer);
System.out.println("message from [" + socket.getInetAddress() + "]: " + new String(readBuffer,"UTF-8"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e.getMessage());
}
}
}
}主线程，启动时由用户选择是作为server还是client：
public class ChatSocket {
private String host;
private int port;
private Socket socket;
private ServerSocket serverSocket;
private OutputStream outputStream;
// 以服务端形式启动，创建会话
public void runAsServer(int port) throws IOException {
this.serverSocket = new ServerSocket(port);
System.out.println("[log] server started at port " + port);
// 等待客户端的加入
this.socket = serverSocket.accept();
System.out.println("[log] successful connected with " + socket.getInetAddress());
// 启动监听线程
Thread listenThread = new Thread(new ListenThread(this.socket));
listenThread.start();
waitAndSend();
}
// 以客户端形式启动，加入会话
public void runAsClient(String host, int port) throws IOException {
this.socket = new Socket(host, port);
System.out.println("[log] successful connected to server " + socket.getInetAddress());
Thread listenThread = new Thread(new ListenThread(this.socket));
listenThread.start();
waitAndSend();
}
public void waitAndSend() throws IOException {
this.outputStream = this.socket.getOutputStream();
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (sc.hasNextLine()) {
this.sendMessage(sc.nextLine());
}
}
public void sendMessage(String message) throws IOException {
byte[] msgBytes = message.getBytes("UTF-8");
int length = msgBytes.length;
outputStream.write(length>>8);
outputStream.write(length);
outputStream.write(msgBytes);
}
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
ChatSocket chatSocket = new ChatSocket();
System.out.println("select connect type: 1 for server and 2 for client");
int type = Integer.parseInt(scanner.nextLine().toString());
if (type == 1) {
System.out.print("input server port: ");
int port = scanner.nextInt();
try {
chatSocket.runAsServer(port);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}else if (type == 2) {
System.out.print("input server host: ");
String host = scanner.nextLine();
System.out.print("input server port: ");
int port = scanner.nextInt();
try {
chatSocket.runAsClient(host, port);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}3.2 使用线程池优化服务端并发能力
作为服务端，如果一次只跟一个客户端建立socket连接，未免显得太过浪费资源，因此我们完全可以让服务端和多个客户端建立多个socket。
如果要处理多个连接，就必须解决并发问题，否则可以编写循环轮流处理。我们可以使用多线程来处理并发，不过线程的创建和销毁都会消耗大量的资源和时间，所以最好一步到位，用一个线程池来实现。
下面给出一个示范性质的服务端代码：
public class SocketServer {
public static void main(String args[]) throws Exception {
// 监听指定的端口
int port = 55533;
ServerSocket server = new ServerSocket(port);
// server将一直等待连接的到来
System.out.println("server将一直等待连接的到来");
//如果使用多线程，那就需要线程池，防止并发过高时创建过多线程耗尽资源
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
while (true) {
Socket socket = server.accept();
Runnable runnable=()->{
try {
// 建立好连接后，从socket中获取输入流，并建立缓冲区进行读取
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
byte[] bytes = new byte[1024];
int len;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) {
// 注意指定编码格式，发送方和接收方一定要统一，建议使用UTF-8
sb.append(new String(bytes, 0, len, "UTF-8"));
}
System.out.println("get message from client: " + sb);
inputStream.close();
socket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
};
threadPool.submit(runnable);
}
}
}4. 连接保活
我想你不难发现一个问题，那就是当socket连接成功建立后，如果中途发生异常导致其中一方断开连接，此时另一方是无法发现的，只有在再次尝试发送/接收消息才会因为抛出异常而退出。
简单的说，就是我们维持的socket连接，是一个长连接，但我们没有保证它的时效性，上一秒它可能还是可以用的，但是下一秒就不一定了。
4.1 使用心跳包
最常见的确保连接随时可用的方法是通过定时发送心跳包来检测连接的正常性。对于需要实现高实时性的服务，比如消息推送，这仍然是非常关键的。
大体的方案如下：
双方约定好心跳包的格式，要能够区别于普通的消息。
客户端每隔一定时间，就向服务端发送一个心跳包
服务端每接收到心跳包时，将其抛弃
如果客户端的某个心跳包发送失败，就可以判断连接已经断开
如果对实时性要求很高，服务端也可以定时检查客户端发送心跳包的频率，如果超过一定时间没有发送可以认为连接已经断开
4.2 断开时重连
使用心跳包必然会增加带宽和性能的负担，对于普通的应用我们其实并没有必要使用这种方案，如果消息发送时抛出了连接异常，直接尝试重新连接就好了。
跟上面的方案对比，其实这个抛出异常的消息就充当了心跳包的角色。
总的来说，连接是否要保活，如何保活，需要根据具体的业务场景灵活地思考和定制。
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