JAVA 中原生的 socket 通讯机制

JAVA 中原生的 socket 通讯机制

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当前环境

1. jdk == 1.8

知识点

• socket 的链接处理
• 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，和你们聊一下 JAVA 中的 socket 通讯问题。这里采用最简单的一请求一响应模型为例，假设咱们如今须要向 baidu 站点进行通讯。咱们用 JAVA 原生的 socket 该如何实现。

创建 socket 链接

首先，咱们须要创建 socket 链接（核心代码）

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
        
// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化远程链接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 创建链接
socket.connect(remote);

处理 socket 输入输出流

成功创建 socket 链接后，咱们就能得到它的输入输出流，通讯的本质是对输入输出流的处理。经过输入流，读取网络链接上传来的数据，经过输出流，将本地的数据传出给远端。

socket 链接实际与处理文件流有点相似，都是在进行 IO 操做。

获取输入、输出流代码以下：

// 输入流
InputStream in = socket.getInputStream();
// 输出流
OutputStream out = socket.getOutputStream();

关于 IO 流的处理，咱们通常会用相应的包装类来处理 IO 流，若是直接处理的话，咱们须要对 byte[] 进行操做，而这是相对比较繁琐的。若是采用包装类，咱们能够直接以string、int等类型进行处理，简化了 IO 字节操做。

下面以 BufferedReader 与 PrintWriter 做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 链接、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。

由于有了 IO 包装类的支持，咱们能够直接以字符串的格式进行传输，由包装类帮咱们将数据装换成相应的字节流。

由于咱们与 baidu 站点进行的是 HTTP 访问，全部咱们不须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讯格式）。

请求的数据内容处理以下：

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";
    }
    
}

发送请求数据代码以下：

// 发起请求
PrintWriter writer = getWriter(socket);
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
writer.flush();

接收响应数据代码以下：

// 读取响应
String msg;
BufferedReader reader = getReader(socket);
while ((msg = reader.readLine()) != null){
    System.out.println(msg);
}

结果展现

至此，讲完了原生 socket 下的建立链接、发送请求与接收响应的全部核心代码。

完整代码以下：

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 链接
            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，咱们经过实例化一个客户端，来展现 socket 通讯的结果。

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。可是咱们细看，发如今 IO 写入与读取过程，是发生了 IO 阻塞的状况。即：

// 会发生 IO 阻塞
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
reader.readLine();

因此若是要同时请求10个不一样的站点，以下：

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);

        }

    }
}

它必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链接，可是具体的操做和服务端是差很少的。请求只能一个个串行处理，这在响应时间上确定不能达标。

• 多线程处理

有人以为这根本不是问题，JAVA 是多线程的编程语言。对于这种状况，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，应用会起不少的线程。都知道，在服务器上，每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，并且大量的线程，形成的线程间切换的消耗也会至关的大。因此这种方式在并发量大的场景下，必定是承载不住的。

• 多线程 + 线程池 处理

既然线程太多不行，那咱们控制一下线程建立的数目不就好了。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，通常 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，若是一个线程能同时处理多个 socket 链接，而且在每一个 socket 输入输出数据没有准备好的状况下，不进行阻塞，那是否是更优呢。这种技术叫作“IO多路复用”。在 JAVA 的 nio 包中，提供了相应的实现。

后续

• JAVA 中是如何实现 IO多路复用
• Netty 下的实现异步请求的