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    JAVA 中原生的 socket 通信机制

    摘要:本文属于原创,欢迎转载,转载请保留出处:github.com/jasonGeng88/blog" rel="nofollow" style="color:rgb(3,102,214);" data-token="fed4e44eaea660f58341b6761930b281">https://github.com/jasonGeng88/blog

    java-socket.md#%E5%BD%93%E5%89%8D%E7%8E%AF%E5%A2%83" rel="nofollow" style="color:rgb(3,102,214);margin-left:-20px;line-height:1;" data-token="2a8c8bdef1ff24fb34bd1c457b1eeacb">当前环境

    1. jdk == 1.8

    知识点

    • socket 的连接处理
    • IO 输入、输出流的处理
    • 请求数据格式处理
    • 请求模型优化

    场景

    今天,和大家聊一下 JAVA 中的 socket 通信问题。这里采用最简单的一请求一响应模型为例,假设我们现在需要向 baidu 站点进行通信。我们用 JAVA 原生的 socket 该如何实现。

    建立 socket 连接

    首先,我们需要建立 socket 连接(核心代码

    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.Socket;
    import java.net.SocketAddress;
    		
    // 初始化 socket
    Socket socket = new Socket();
    // 初始化远程连接地址
    SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
    // 建立连接
    socket.connect(remote);
    

    处理 socket 输入输出流

    成功建立 socket 连接后,我们就能获得它的输入输出流,通信的本质是对输入输出流的处理。通过输入流,读取网络连接上传来的数据,通过输出流,将本地的数据传出给远端。

    socket 连接实际与处理文件流有点类似,都是在进行 IO 操作。

    获取输入、输出流代码如下:

    // 输入流
    InputStream in = socket.getInputStream();
    // 输出流
    OutputStream out = socket.getOutputStream();

    关于 IO 流的处理,我们一般会用相应的包装类来处理 IO 流,如果直接处理的话,我们需要对 byte[] 进行操作,而这是相对比较繁琐的。如果采用包装类,我们可以直接以stringint等类型进行处理,简化了 IO 字节操作。

    下面以 BufferedReader 与 PrintWriter 作为输入输出的包装类进行处理。

    // 获取 socket 输入流
    private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
    }
    
    // 获取 socket 输出流
    private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
    }
    

    数据请求与响应

    有了 socket 连接、IO 输入输出流,下面就该向发送请求数据,以及获取请求的响应结果。

    因为有了 IO 包装类的支持,我们可以直接以字符串的格式进行传输,由包装类帮我们将数据装换成相应的字节流。

    因为我们与 baidu 站点进行的是 HTTP 访问,所有我们不需要额外定义输出格式。采用标准的 HTTP 传输格式,就能进行请求响应了(某些特定的 RPC 框架,可能会有自定义的通信格式)。

    请求的数据内容处理如下:

    public class HttpUtil {
    
        public static String compositeRequest(String host){
    
            return "GET / HTTP/1.1\r\n" +
                    "Host: " + host + "\r\n" +
                    "User-Agent: curl/7.43.0\r\n" +
                    "Accept: */*\r\n\r\n";
        }
        
    }

    发送请求数据代码如下:

    // 发起请求
    PrintWriter writer = getWriter(socket);
    writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
    writer.flush();

    接收响应数据代码如下:

    // 读取响应
    String msg;
    BufferedReader reader = getReader(socket);
    while ((msg = reader.readLine()) != null){
        System.out.println(msg);
    }

    结果展示

    至此,讲完了原生 socket 下的创建连接、发送请求与接收响应的所有核心代码。

    完整代码如下:

    import java.io.*;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.Socket;
    import java.net.SocketAddress;
    import com.test.network.util.HttpUtil;
    
    public class SocketHttpClient {
    
        public void start(String host, int port) {
    
            // 初始化 socket
            Socket socket = new Socket();
    
            try {
                // 设置 socket 连接
                SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
                socket.setSoTimeout(5000);
                socket.connect(remote);
    
                // 发起请求
                PrintWriter writer = getWriter(socket);
                System.out.println(HttpUtil.compositeRequest(host));
                writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
                writer.flush();
    
                // 读取响应
                String msg;
                BufferedReader reader = getReader(socket);
                while ((msg = reader.readLine()) != null){
                    System.out.println(msg);
                }
    
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
    
        }
    
    	private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
            InputStream in = socket.getInputStream();
            return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
        }
    
        private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
        }
    
    }
    

    下面,我们通过实例化一个客户端,来展示 socket 通信的结果。

    public class Application {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            new SocketHttpClient().start("www.baidu.com", 80);
    
        }
    }

    结果输出:

    请求模型优化

    这种方式,虽然实现功能没什么问题。但是我们细看,发现在 IO 写入与读取过程,是发生了 IO 阻塞的情况。即:

    // 会发生 IO 阻塞
    writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
    reader.readLine();
    

    所以如果要同时请求10个不同的站点,如下:

    public class SingleThreadApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
    
    		// HttpConstant.HOSTS 为 站点集合
            for (String host: HttpConstant.HOSTS) {
    
                new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
    
            }
    
        }
    }

    它一定是第一个请求响应结束后,才会发起下一个站点处理。

    这在服务端更明显,虽然这里的代码是客户端连接,但是具体的操作和服务端是差不多的。请求只能一个个串行处理,这在响应时间上肯定不能达标。

    • 多线程处理

    有人觉得这根本不是问题,JAVA 是多线程的编程语言。对于这种情况,采用多线程的模型再合适不过。

    public class MultiThreadApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            for (final String host: HttpConstant.HOSTS) {
    
                Thread t = new Thread(new Runnable() {
                    public void run() {
                        new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
                    }
                });
    
                t.start();
    
            }
        }
    }
    

    这种方式起初看起来挺有用的,但并发量一大,应用会起很多的线程。都知道,在服务器上,每一个线程实际都会占据一个文件句柄。而服务器上的句柄数是有限的,而且大量的线程,造成的线程间切换的消耗也会相当的大。所以这种方式在并发量大的场景下,一定是承载不住的。

    既然线程太多不行,那我们控制一下线程创建的数目不就行了。只启动固定的线程数来进行 socket 处理,既利用了多线程的处理,又控制了系统的资源消耗。

    public class ThreadPoolApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(8);
    
            for (final String host: HttpConstant.HOSTS) {
    
                Thread t = new Thread(new Runnable() {
                    public void run() {
                        new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
                    }
                });
    
                executorService.submit(t);
                new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
    
            }
    
        }
    }

    关于启动的线程数,一般 CPU 密集型会设置在 N+1(N为CPU核数),IO 密集型设置在 2N + 1。

    这种方式,看起来是最优的了。那有没有更好的呢,如果一个线程能同时处理多个 socket 连接,并且在每个 socket 输入输出数据没有准备好的情况下,不进行阻塞,那是不是更优呢。这种技术叫做“IO多路复用”。在 JAVA 的 nio 包中,提供了相应的实现。

    补充1:TCP客户端与服务端

    public class TCP客户端 {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Socket s = new Socket("127.0.0.1",1234);
    
                        //构建IO
                        InputStream is = s.getInputStream();
                        OutputStream os = s.getOutputStream();
    
                        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(os));
                        //向服务器端发送一条消息
                        bw.write("测试客户端和服务器通信,服务器接收到消息返回到客户端\n");
                        bw.flush();
    
                        //读取服务器返回的消息
                        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                        String mess = br.readLine();
                        System.out.println("服务器:"+mess);
                    } catch (UnknownHostException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
    public class TCP服务端 {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        ServerSocket ss = new ServerSocket(1234);
                        while (true) {
                            System.out.println("启动服务器....");
                            Socket s = ss.accept();
                            System.out.println("客户端:" + s.getInetAddress().getLocalHost() + "已连接到服务器");
                            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
                            //读取客户端发送来的消息
                            String mess = br.readLine();
                            System.out.println("客户端:" + mess);
                            BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
                            bw.write(mess + "\n");
                            bw.flush();
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

    补充2:UDP客户端和服务端

    public class UDP客户端 {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    byte []arr = "Hello Server".getBytes();
                    try {
                        InetAddress inetAddress = InetAddress.getLocalHost();
                        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
                        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(arr, arr.length, inetAddress, 1234);
                        datagramSocket.send(datagramPacket);
                        System.out.println("send end");
                    } catch (UnknownHostException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (SocketException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
    public class UDP服务端 {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(1234);
                        byte[] buffer = new byte[1024];
                        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
                        datagramSocket.receive(packet);
                        System.out.println("server recv");
                        String msg = new String(packet.getData(), "utf-8");
                        System.out.println(msg);
                    } catch (SocketException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
    


    后续

    • JAVA 中是如何实现 IO多路复用
    • Netty 下的实现异步请求的
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