Java网络编程和NIO详解1：JAVA 中原生的 socket 通讯机制

时间  2019-11-11 标签 java 网络 编程 nio 详解 中原 生的 socket 通讯 机制

本文转自：https://github.com/jasonGeng88/blogjava

本系列文章将整理到我在GitHub上的《Java面试指南》仓库，更多精彩内容请到个人仓库里查看git

https://github.com/h2pl/Java-Tutorialgithub

喜欢的话麻烦点下Star哈面试

文章将同步到个人我的博客：编程

www.how2playlife.com后端

本文是微信公众号【Java技术江湖】的《不可轻视的Java网络编程》其中一篇，本文部份内容来源于网络，为了把本文主题讲得清晰透彻，也整合了不少我认为不错的技术博客内容，引用其中了一些比较好的博客文章，若有侵权，请联系做者。服务器

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，而且进行实战，网络编程是每个Java后端工程师必需要学习和理解的知识点，进一步来讲，你还须要掌握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，造成本身的知识框架。微信

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。网络

若是对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也能够关注公众号【Java技术江湖】联系做者，欢迎你参与本系列博文的创做和修订。多线程

<!-- more -->

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）

<pre>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);
</pre>

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：

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

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。

<pre>// 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));
}
</pre>

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：

<pre>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";
}

}</pre>

发送请求数据代码以下：

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

接收响应数据代码以下：

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

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。

<pre>public class Application {

public static void main(String[] args) {

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

}

}</pre>

结果输出：

Java网络编程和NIO详解1：JAVA 中原生的 socket 通讯机制

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：

<pre>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);

    }

}

}</pre>

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。

<pre>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);

    }

}

}</pre>

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。

补充1：TCP客户端与服务端

<pre>public class TCP客户端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {br/>@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讯，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();
}
}</pre>

<pre>public class TCP服务端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {br/>@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() + "已链接到服务器");
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();
}
}</pre>

补充2：UDP客户端和服务端

<pre>public class UDP客户端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {br/>@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();
}
}</pre>

<pre>public class UDP服务端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {br/>@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();
}
}
</pre>

后续

  • JAVA 中是如何实现 IO多路复用
  • Netty 下的实现异步请求的
联系我们 沪ICP备13005482号-10