Java网络编程和NIO详解1:JAVA 中原生的 socket 通信机制

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该系列博文会告诉你如何从计算机网络的基础知识入手,一步步地学习Java网络基础,从socket到nio、bio、aio和netty等网络编程知识,并且进行实战,网络编程是每一个Java后端工程师必须要学习和理解的知识点,进一步来说,你还需要掌握Linux中的网络编程原理,包括IO模型、网络编程框架netty的进阶原理,才能更完整地了解整个Java网络编程的知识体系,形成自己的知识框架。

为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

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 BufferedReaderPrintWriter 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);

    }
}

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

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原始发表时间:2019-11-21

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