JAVA 中原生的 socket 通信机制
当前环境
- 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string、int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。
- 多线程 + 线程池 处理
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
微信公众号【黄小斜】作者是蚂蚁金服 JAVA 工程师，目前在蚂蚁财富负责后端开发工作，专注于 JAVA 后端技术栈，同时也懂点投资理财，坚持学习和写作，用大厂程序员的视角解读技术与互联网，我的世界里不只有 coding！关注公众号后回复”架构师“即可领取 Java基础、进阶、项目和架构师等免费学习资料，更有数据库、分布式、微服务等热门技术学习视频，内容丰富，兼顾原理和实践，另外也将赠送作者原创的Java学习指南、Java程序员面试指南等干货资源
