基於Java實現Socket編程入門
認識Socket
socket，又稱套接字，是在不同的進程間進行網絡通訊的一種協議、約定或者說是規范。
對於socket編程，它更多的時候像是基於TCP/UDP等協議做的一層封裝或者說抽象，是一套系統所提供的用於進行網絡通信相關編程的接口。
建立socket的基本流程
我們以linux操作系統提供的基本api為例，瞭解建立一個socket通信的基本流程：
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，在編程層面上的簡化和抽象。
1.最基本的Socket示范
1.1 單向通信
首先，我們從隻發送和接收一次消息的socket基礎代碼開始：
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();
}
}
}
先運行服務端，再運行客戶端，就可以看到效果。
- 註意這裡的IO操作實現，我們使用瞭一個大小為
MAX_BUFFER_SIZE的byte數組作為緩沖區，然後從輸入流中取出字節放置到緩沖區，再從緩沖區中取出字節構建到字符串中去，這在輸入流文件很大時非常有用，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
上面的例子隻實現瞭一次單向的通信，這顯然有點浪費通道。socket連接支持全雙工的雙向通信（底層是tcp），下面的例子中，服務端在收到客戶端的消息後，將返回給客戶端一個回執。
並且我們使用瞭一些java.io包裝好的方法，來簡化整個通信的流程（因為消息長度不大，不再使用緩沖區）。
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(); // 告訴客戶端接收已經完畢，之後隻能發送
// 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(); // 告訴服務器，所有的發送動作已經結束，之後隻能接收
this.inputStream = socket.getInputStream();
String receipt = new String(inputStream.readAllBytes(), "UTF-8");
System.out.println("got receipt: " + receipt);
this.inputStream.close();
this.socket.close();
}
-
註意這裡我們在服務端接受到消息以及客戶端發送消息後，分別調用瞭
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瞭。 -
但是註意，調用
shutdownInput()和shutdownOutput()之後，對應的流也會被關閉，不能再次向socket發送/寫入瞭。
2. 發送更多的消息：結束的界定
剛才的兩個例子中，每次打開流，都隻能進行一次寫入/讀取操作，結束後對應流被關閉，就無法再次寫入/讀取瞭。
在這種情況下，如果要發送兩次消息，就不得不建立兩個socket，既耗資源又麻煩。其實我們完全可以不關閉對應的流，隻要分次寫入消息就可以瞭。
但是這樣的話，我們就必須面對另一個問題：如何判斷一次消息發送的結束呢？
2.1 使用特殊符號
最簡單的辦法是使用一些特殊的符號來標記一次發送完成，服務端隻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。
下面的例子中我們使用換行符\n來標記一次發送的結束，服務端每接收到一個消息，就打印一次，並且使用瞭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());
} // 循環接收並輸出消息內容
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，服務端就會打印出對應的消息讀取記錄。
2.2 根據長度界定
回到原點，我們之所以不好定位消息什麼時候結束，是因為我們不能夠確定每次消息的長度。
那麼其實可以先將消息的長度發送出去，當服務端知道消息的長度後，就能夠完成一次消息的接收瞭。
總的來說，發送一次消息變成瞭兩個步驟
- 發送消息的長度
- 發送消息
最後的問題就是，“發送消息的長度”這一步驟所發送的字節量必須是固定的，否則我們仍然會陷入僵局。
一般來說，我們可以使用固定的字節數來保存消息的長度，比如規定前2個字節就是消息的長度，不過這樣我們能夠傳送的消息最大長度也就被固定死瞭，以2個字節為例，我們發送的消息最大長度不超過2^16個字節即64K。
如果你瞭解一些字符的編碼，就會知道，其實我們可以使用變長的空間來儲存消息的長度，比如：
第一個字節首位為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
第一個字節首位為1110，那麼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
當然這樣實現起來會麻煩一些，因此下面的例子裡我們仍然使用固定的兩個字節來記錄消息的長度。
服務端:
public void runServer() throws IOException {
this.serverSocket = new ServerSocket(this.port);
this.socket = serverSocket.accept();
this.inputStream = socket.getInputStream();
byte[] bytes;
while (true) {
// 先讀第一個字節
int first = inputStream.read();
if (first == -1) {
// 如果是-1，說明輸入流已經被關閉瞭，也就不需要繼續監聽瞭
this.socket.close();
break;
}
// 讀取第二個字節
int second = inputStream.read();
int length = (first << 8) + second; // 用位運算將兩個字節拼起來成為真正的長度
bytes = new byte[length]; // 構建指定長度的字節大小來儲存消息即可
inputStream.read(bytes);
System.out.println("receive message: " + new String(bytes,"UTF-8"));
}
}
客戶端:
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轉換成bytes以便處理
byte[] bytes = message.getBytes("UTF-8");
// 接下來傳輸兩個字節的長度，依然使用移位實現
int length = bytes.length;
this.outputStream.write(length >> 8); // write默認一次隻傳輸一個字節
this.outputStream.write(length);
// 傳輸完長度後，再正式傳送消息
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. 處理更多的連接：多線程
3.1 同時實現消息的發送與接收
在考慮服務端處理多連接之前，我們先考慮使用多線程改造一下原有的一對一對話實例。
在原有的例子中，消息的接收方並不能主動地向對方發送消息，換句話說我們並沒有實現真正的互相對話，這主要是因為消息的發送和接收這兩個動作並不能同時進行，因此我們需要使用兩個線程，其中一個用於監聽鍵盤輸入並將其寫入socket，另一個則負責監聽socket並將接受到的消息顯示。
出於簡單考慮，我們直接讓主線程負責鍵盤監聽和消息發送，同時另外開啟一個線程用於拉取消息並顯示。
消息拉取線程 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) {
// 輸入流已經被關閉，無需繼續讀取
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());
}
}
}
}
主線程，啟動時由用戶選擇是作為server還是client：
public class ChatSocket {
private String host;
private int port;
private Socket socket;
private ServerSocket serverSocket;
private OutputStream outputStream;
// 以服務端形式啟動，創建會話
public void runAsServer(int port) throws IOException {
this.serverSocket = new ServerSocket(port);
System.out.println("[log] server started at port " + port);
// 等待客戶端的加入
this.socket = serverSocket.accept();
System.out.println("[log] successful connected with " + socket.getInetAddress());
// 啟動監聽線程
Thread listenThread = new Thread(new ListenThread(this.socket));
listenThread.start();
waitAndSend();
}
// 以客戶端形式啟動，加入會話
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 使用線程池優化服務端並發能力
作為服務端，如果一次隻跟一個客戶端建立socket連接，未免顯得太過浪費資源，因此我們完全可以讓服務端和多個客戶端建立多個socket。
那麼既然要處理多個連接，就不得不面對並發問題瞭（當然，你也可以寫循環輪流處理）。我們可以使用多線程來處理並發，不過線程的創建和銷毀都會消耗大量的資源和時間，所以最好一步到位，用一個線程池來實現。
下面給出一個示范性質的服務端代碼：
public class SocketServer {
public static void main(String args[]) throws Exception {
// 監聽指定的端口
int port = 55533;
ServerSocket server = new ServerSocket(port);
// server將一直等待連接的到來
System.out.println("server將一直等待連接的到來");
//如果使用多線程，那就需要線程池，防止並發過高時創建過多線程耗盡資源
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
while (true) {
Socket socket = server.accept();
Runnable runnable=()->{
try {
// 建立好連接後，從socket中獲取輸入流，並建立緩沖區進行讀取
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
byte[] bytes = new byte[1024];
int len;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) {
// 註意指定編碼格式，發送方和接收方一定要統一，建議使用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. 連接保活
我想你不難發現一個問題，那就是當socket連接成功建立後，如果中途發生異常導致其中一方斷開連接，此時另一方是無法發現的，隻有在再次嘗試發送/接收消息才會因為拋出異常而退出。
簡單的說，就是我們維持的socket連接，是一個長連接，但我們沒有保證它的時效性，上一秒它可能還是可以用的，但是下一秒就不一定瞭。
4.1 使用心跳包
保證連接隨時可用的最常見方法就是定時發送心跳包，來檢測連接是否正常。這對於實時性要求很高的服務而言，還是非常重要的（比如消息推送）。
大體的方案如下：
- 雙方約定好心跳包的格式，要能夠區別於普通的消息。
- 客戶端每隔一定時間，就向服務端發送一個心跳包
- 服務端每接收到心跳包時，將其拋棄
- 如果客戶端的某個心跳包發送失敗，就可以判斷連接已經斷開
- 如果對實時性要求很高，服務端也可以定時檢查客戶端發送心跳包的頻率，如果超過一定時間沒有發送可以認為連接已經斷開
4.2 斷開時重連
使用心跳包必然會增加帶寬和性能的負擔，對於普通的應用我們其實並沒有必要使用這種方案，如果消息發送時拋出瞭連接異常，直接嘗試重新連接就好瞭。
跟上面的方案對比，其實這個拋出異常的消息就充當瞭心跳包的角色。
總的來說，連接是否要保活，如何保活，需要根據具體的業務場景靈活地思考和定制。
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