JAVA中實現(xiàn)原生的 socket 通信機(jī)制原理

更新時間：2017年08月19日 18:33:28 作者：Jason_Geng

本篇文章主要介紹了JAVA中實現(xiàn)原生的 socket 通信機(jī)制原理，小編覺得挺不錯的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

本文介紹了JAVA中實現(xiàn)原生的 socket 通信機(jī)制原理，分享給大家，具體如下：

當(dāng)前環(huán)境

jdk == 1.8

知識點

socket 的連接處理
IO 輸入、輸出流的處理
請求數(shù)據(jù)格式處理
請求模型優(yōu)化

場景

今天，和大家聊一下 JAVA 中的 socket 通信問題。這里采用最簡單的一請求一響應(yīng)模型為例，假設(shè)我們現(xiàn)在需要向 baidu 站點進(jìn)行通信。我們用 JAVA 原生的 socket 該如何實現(xiàn)。

建立 socket 連接

首先，我們需要建立 socket 連接（核心代碼）

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
    
// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化遠(yuǎn)程連接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 建立連接
socket.connect(remote);

處理 socket 輸入輸出流

成功建立 socket 連接后，我們就能獲得它的輸入輸出流，通信的本質(zhì)是對輸入輸出流的處理。通過輸入流，讀取網(wǎng)絡(luò)連接上傳來的數(shù)據(jù)，通過輸出流，將本地的數(shù)據(jù)傳出給遠(yuǎn)端。

socket 連接實際與處理文件流有點類似，都是在進(jìn)行 IO 操作。

獲取輸入、輸出流代碼如下：

// 輸入流
InputStream in = socket.getInputStream();
// 輸出流
OutputStream out = socket.getOutputStream();

關(guān)于 IO 流的處理，我們一般會用相應(yīng)的包裝類來處理 IO 流，如果直接處理的話，我們需要對 byte[] 進(jìn)行操作，而這是相對比較繁瑣的。如果采用包裝類，我們可以直接以string、int等類型進(jìn)行處理，簡化了 IO 字節(jié)操作。

下面以 BufferedReader 與 PrintWriter 作為輸入輸出的包裝類進(jìn)行處理。

// 獲取 socket 輸入流
private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
  InputStream in = socket.getInputStream();
  return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
}

// 獲取 socket 輸出流
private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
  OutputStream out = socket.getOutputStream();
  return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
}

數(shù)據(jù)請求與響應(yīng)

有了 socket 連接、IO 輸入輸出流，下面就該向發(fā)送請求數(shù)據(jù)，以及獲取請求的響應(yīng)結(jié)果。

因為有了 IO 包裝類的支持，我們可以直接以字符串的格式進(jìn)行傳輸，由包裝類幫我們將數(shù)據(jù)裝換成相應(yīng)的字節(jié)流。

因為我們與 baidu 站點進(jìn)行的是 HTTP 訪問，所有我們不需要額外定義輸出格式。采用標(biāo)準(zhǔn)的 HTTP 傳輸格式，就能進(jìn)行請求響應(yīng)了（某些特定的 RPC 框架，可能會有自定義的通信格式）。

請求的數(shù)據(jù)內(nèi)容處理如下：

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";
  }
  
}

發(fā)送請求數(shù)據(jù)代碼如下：

// 發(fā)起請求
PrintWriter writer = getWriter(socket);
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
writer.flush();
接收響應(yīng)數(shù)據(jù)代碼如下：

// 讀取響應(yīng)
String msg;
BufferedReader reader = getReader(socket);
while ((msg = reader.readLine()) != null){
  System.out.println(msg);
}

至此，講完了原生 socket 下的創(chuàng)建連接、發(fā)送請求與接收響應(yīng)的所有核心代碼。

完整代碼如下：

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 {
      // 設(shè)置 socket 連接
      SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
      socket.setSoTimeout(5000);
      socket.connect(remote);

      // 發(fā)起請求
      PrintWriter writer = getWriter(socket);
      System.out.println(HttpUtil.compositeRequest(host));
      writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
      writer.flush();

      // 讀取響應(yīng)
      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，我們通過實例化一個客戶端，來展示 socket 通信的結(jié)果。

public class Application {

  public static void main(String[] args) {

    new SocketHttpClient().start("www.baidu.com", 80);

  }
}

結(jié)果輸出：

請求模型優(yōu)化

這種方式，雖然實現(xiàn)功能沒什么問題。但是我們細(xì)看，發(fā)現(xiàn)在 IO 寫入與讀取過程，是發(fā)生了 IO 阻塞的情況。即：

// 會發(fā)生 IO 阻塞
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
reader.readLine();

所以如果要同時請求10個不同的站點，如下：

public class SingleThreadApplication {

  public static void main(String[] args) {

    // HttpConstant.HOSTS 為 站點集合
    for (String host: HttpConstant.HOSTS) {

      new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);

    }

  }
}

它一定是第一個請求響應(yīng)結(jié)束后，才會發(fā)起下一個站點處理。

這在服務(wù)端更明顯，雖然這里的代碼是客戶端連接，但是具體的操作和服務(wù)端是差不多的。請求只能一個個串行處理，這在響應(yīng)時間上肯定不能達(dá)標(biāo)。

多線程處理

有人覺得這根本不是問題，JAVA 是多線程的編程語言。對于這種情況，采用多線程的模型再合適不過。

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();

    }
  }
}

這種方式起初看起來挺有用的，但并發(fā)量一大，應(yīng)用會起很多的線程。都知道，在服務(wù)器上，每一個線程實際都會占據(jù)一個文件句柄。而服務(wù)器上的句柄數(shù)是有限的，而且大量的線程，造成的線程間切換的消耗也會相當(dāng)?shù)拇?。所以這種方式在并發(fā)量大的場景下，一定是承載不住的。

多線程 + 線程池處理

既然線程太多不行，那我們控制一下線程創(chuàng)建的數(shù)目不就行了。只啟動固定的線程數(shù)來進(jìn)行 socket 處理，既利用了多線程的處理，又控制了系統(tǒng)的資源消耗。

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);

    }

  }
}

關(guān)于啟動的線程數(shù)，一般 CPU 密集型會設(shè)置在 N+1（N為CPU核數(shù)），IO 密集型設(shè)置在 2N + 1。

這種方式，看起來是最優(yōu)的了。那有沒有更好的呢，如果一個線程能同時處理多個 socket 連接，并且在每個 socket 輸入輸出數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好的情況下，不進(jìn)行阻塞，那是不是更優(yōu)呢。這種技術(shù)叫做“IO多路復(fù)用”。在 JAVA 的 nio 包中，提供了相應(yīng)的實現(xiàn)。

后續(xù)