Java網(wǎng)絡編程和NIO詳解1：JAVA 中原生的 socket 通信機制

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該系列博文會告訴你如何從計算機網(wǎng)絡的基礎(chǔ)知識入手，一步步地學習Java網(wǎng)絡基礎(chǔ)，從socket到nio、bio、aio和netty等網(wǎng)絡編程知識，并且進行實戰(zhàn)，網(wǎng)絡編程是每一個Java后端工程師必須要學習和理解的知識點，進一步來說，你還需要掌握Linux中的網(wǎng)絡編程原理，包括IO模型、網(wǎng)絡編程框架netty的進階原理，才能更完整地了解整個Java網(wǎng)絡編程的知識體系，形成自己的知識框架。

為了更好地總結(jié)和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供部分知識點對應的面試題以及參考答案。

如果對本系列文章有什么建議，或者是有什么疑問的話，也可以關(guān)注公眾號【Java技術(shù)江湖】聯(lián)系作者，歡迎你參與本系列博文的創(chuàng)作和修訂。

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當前環(huán)境

1. 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模型為例，假設我們現(xiàn)在需要向 baidu 站點進行通信。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）

<pre>import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;

// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化遠程連接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 建立連接
socket.connect(remote);
</pre>

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)傳出給遠端。

socket 連接實際與處理文件流有點類似，都是在進行 IO 操作。

獲取輸入、輸出流代碼如下：

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

關(guān)于 IO 流的處理，我們一般會用相應的包裝類來處理 IO 流，如果直接處理的話，我們需要對?byte[]?進行操作，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行處理。

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

數(shù)據(jù)請求與響應

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行傳輸，由包裝類幫我們將數(shù)據(jù)裝換成相應的字節(jié)流。

因為我們與 baidu 站點進行的是 HTTP 訪問，所有我們不需要額外定義輸出格式。采用標準的 HTTP 傳輸格式，就能進行請求響應了（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：

<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>

發(fā)送請求數(shù)據(jù)代碼如下：

<pre>// 發(fā)起請求
PrintWriter writer = getWriter(socket);
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
writer.flush();</pre>

接收響應數(shù)據(jù)代碼如下：

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

結(jié)果展示

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            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。

<pre>public class Application {

public static void main(String[] args) {

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

}

}</pre>

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：

<pre>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);

    }

}

}</pre>

它一定是第一個請求響應結(jié)束后，才會發(fā)起下一個站點處理。

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

• 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，應用會起很多的線程。都知道，在服務器上，每一個線程實際都會占據(jù)一個文件句柄。而服務器上的句柄數(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?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。

<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>

關(guān)于啟動的線程數(shù)，一般 CPU 密集型會設置在 N+1（N為CPU核數(shù)），IO 密集型設置在 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)沒有準備好的情況下，不進行阻塞，那是不是更優(yōu)呢。這種技術(shù)叫做“IO多路復用”。在 JAVA 的 nio 包中，提供了相應的實現(xiàn)。

補充1：TCP客戶端與服務端

<pre>public class TCP客戶端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {@Override
br/>@Override
try {
Socket s = new Socket("127.0.0.1",1234); //構(gòu)建IO
InputStream is = s.getInputStream();
OutputStream os = s.getOutputStream(); BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(os));
//向服務器端發(fā)送一條消息
bw.write("測試客戶端和服務器通信，服務器接收到消息返回到客戶端\n");
bw.flush(); //讀取服務器返回的消息
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
String mess = br.readLine();
System.out.println("服務器："+mess);
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}</pre>

<pre>public class TCP服務端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {@Override
br/>@Override
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(1234);
while (true) {
System.out.println("啟動服務器....");
Socket s = ss.accept();
System.out.println("客戶端:" + s.getInetAddress().getLocalHost() + "已連接到服務器");
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
//讀取客戶端發(fā)送來的消息
String mess = br.readLine();
System.out.println("客戶端：" + mess);
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
bw.write(mess + "\n");
bw.flush();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}</pre>

補充2：UDP客戶端和服務端

<pre>public class UDP客戶端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {@Override
br/>@Override
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服務端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {@Override
br/>@Override
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>

后續(xù)

• JAVA 中是如何實現(xiàn) IO多路復用
• Netty 下的實現(xiàn)異步請求的