初识Socket通讯编程

Posted 2020-11-25 onedayinmay

一、什么是socket?

　　当两台计算机需要通信的时候，往往我们使用的都是TCP去实现的，但是并不会直接去操作TCP协议，通常是通过Socket进行tcp通信。Socket是操作系统提供给开发者的一个接口，通过它，就可以实现设备之间的通信。

 

二、TCP是如何通信的？

　　TCP连接和断开分别会存在3次握手/4此握手的过程，并且在此过程中包含了发送数据的长度(接受数据的长度)，无容置疑，这个过程是复杂的，这里我们不需要做深入的探讨。如果有兴趣，可以参考此文章，这里详细的解释了TCP通信的过程：

https://ketao1989.github.io/2017/03/29/java-server-in-action/

 

三、Socket消息的收发

　　在Java中处理socket的方式有三种:

1. 传统的io流方式（BIO模式），阻塞型；
2. NIO的方式；
3. AIO的方式；

　　这里只介绍传统的IO流方式的tcp连接，即InputStream和OutputStream的方式读取和写入数据。对于长连接，通常情况可能我们如下做：

//<--------------服务端代码-------------------->
public class SocketReadLister implements Runnable {

    private final int tcpPort=9999;
    private ServerSocket serverSocket;

    @Override
    public void run() {
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(this.tcpPort);
            while(true){
                Socket socket = serverSocket.accept();
                //socket.setSoTimeout(5*1000);//设置读取数据超时时间为5s
                new Thread(new SocketReadThread(socket)).start();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        new Thread(new SocketReadLister()).start();
    }
}

public class SocketReadThread implements Runnable {
    private Socket socket;
    public SocketReadThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        byte[] data = new byte[1024];
        try {
            InputStream is=socket.getInputStream();
            int length=0;
            int num=is.available();
            while((length = is.read(data)) != -1){
                String result = new String(data);
                System.out.println("数据available:"+num);
                System.out.println("数据:"+result);
                System.out.println("length:" + length);
            }
            System.out.print("结束数据读取:"+length);
        }catch (SocketTimeoutException socketTimeoutException){
            try {
                Thread.sleep(2*1000);
            }catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            run();
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
            try {
                socket.close();
            }catch (IOException io){
                io.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

//<---------------------客户端代码---------------------------->
public class SocketClient implements Runnable {
    private final int tcpPort=9999;
    private Socket socket;
    
    @Override
    public void run() {
        String msg = "ab23567787hdhfhhfy";

        byte[] byteMsg = msg.getBytes();
            
        try {
            socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            
            out.write(byteMsg);
            Thread.sleep(10*1000);
            char[] chars=msg.toCharArray();
            String str="";
            /*out.flush();*/
            for(int i=0;i<msg.length();i++) {
                str=chars[i]+"-"+i;
                out.write(str.getBytes());
                Thread.sleep(1*1000);
            }
            byte[] bytes=new byte[8];
            while(true) {
                if(inputStream.available()>0) {
                    if(inputStream.read(bytes)!=-1) {
                        System.out.println(new String(bytes));
                    }
                }
                Thread.sleep(10*1000);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e2) {
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new SocketClient()).start();
    }

}

　　正如代码中所示，通常情况下我们在while循环中将is.read(data)) != -1作为判断依据，判断是否继续读取，这种情况下，确实可以将数据完整的读取，但是客户端没有传输数据的时候，read()方法开始阻塞，直到有数据时才继续执行后续代码，使得程序挂起。

　　为什么会出现这种情况呢？

　　在JDK中，关于read()的说明如下：当读取到流的末尾，没有可读数据的时候，read()方法将返回-1，如果没有数据，那么read()将会发生阻塞。因此，在读取文件流的情况下，这样是完全正确的，但是在网络编程的情况下，socket连接不会断开，那么InputStream的read()将永远不会返回-1，程序将读完数据后，继续循环读取然后发生阻塞。

　　在InputStream中，提供了available();此方法是非阻塞的，通过它可以初步的判定socket流中是否有数据，并返回一个预估数据长度的值，但是请注意，这里是预估，并不是准确的计算出数据的长度，所以在JDK说明文档中，有提示使用该方法获取的值去声明 byte[]的长度，然后读取数据，这是错误的做法。这样在每次读取数据之前，都可以先判断一下流中是否存在数据，然后再读取，这样就可以避免阻塞造成程序的挂起。代码如下:

while(true){
    if(is.available()>0){
        is.read(data);
    }
}

　　说到read(),在InputStream中提供了3个read的重载方法：read()、read(byte[])、read(byte[],int offset,int len);后面两种读取方法都是基于 read()实现的，同样存在阻塞的特性，那么我们可以思考一下，假定byte[]的长度为1024,撇开while，拿read(byte[])一次性读取来说，当另一端发送的数据不足1024个字节时，为什么这个read(byte[])没有发生阻塞？

　　关于这个问题，网上有帖子说，这跟InputStream的flush()有关，但经过测试，我不这么认为。我更加认同https://ketao1989.github.io/2017/03/29/java-server-in-action/中所说的那样，TCP握手期间，会传递数据的长度，当读取完数据，read()返回-1，即使此时没有读取到1024个字节数据，剩下的用0填充，这样就能很好的解释这个问题了。

　　Socket既然时网络通讯用，那么由于各种原因，必然会有网络延迟，造成socket读取超时；socket读取超时时，其连接任然是有效的，因此在处理该异常时不需要关闭连接。以下是代码片段:

if (nRecv < nRecvNeed){
    int nSize = 0;
    wsaBuf=new byte[nRecvNeed-nRecv];
    int readCount = 0; // 已经成功读取的字节的个数
    try {
        while (readCount < wsaBuf.length) {
            //Thread.sleep(100);//读取之前先将线程休眠，避免循环时，程序占用CPU过高
            try {
                availableNum=inputStream.available();
                if(availableNum>0){
                    readCount += inputStream.read(wsaBuf, readCount, (wsaBuf.length - readCount));//避免数据读取不完整
                }
            }catch (SocketTimeoutException timeOut){
                System.out.println("读取超时，线程执行休眠操作，2秒后再读取");
                Thread.sleep(2*1000);
            }
        }
    }catch (Exception e){
        System.out.println("读取数据异常");
        e.printStackTrace();
        close();//关闭socket连接
        break;
    }
    nSize=wsaBuf.length;
    nRecv+=nSize;
}

　　另外，需要补充说明的是，socket.close()方法执行后，只能更改本端的连接状态，不能将该状态通知给对端，也就是说如果服务端或客户端一方执行了close(),另一端并不知道此时连接已经断开了。

　　此外，以上代码还存在一个很严重的问题亟待解决，这也是在开发中容易忽视的地方——程序能正常运行，但CPU占用过高；原因如下：

　　当readCount < wsaBuf.length，即数据还未读取完整时，线程会持续不断的从socket流中读取数据，由于这里使用了inputStream.available()来判断使用需要读取数据，当没有数据传输的时候，此处就变成了一个死循环，说到此处，原因就非常明了了，在计算机运行过程中无论他是单核还是多核，系统获取计算机资源(CPU等)都是按照时间分片的方式进行的，同一时间有且只有一个线程能获取到系统资源，所以当遇到死循环时，系统资源一直得不到释放，因此CPU会越来越高，解决的办法是在循环中对程序进行线程休眠一定时间。