初识Socket通讯编程(一)

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。
https://www.cnblogs.com/onedayinMay/p/12203599.html

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