基于Java Socket的自定义协议，实现Android与服务器的长连接（一）

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一、基础知识准备

在正式给大家介绍自定义协议之前，我们先对网络传输和协议解析的相关知识点做一个基本的介绍，尽管这些知识点我们在学校里学过，但难免会有所遗忘，这里先做一个简单的介绍，以便对后文的内容理解更加顺畅。

1. 网络七层协议

OSI的7层从上到下分别是：7 应用层、 6 表示层、 5 会话层、 4 传输层、 3 网络层、 2 数据链路层、 1 物理层；其中高层（即7、6、5、4层）定义了应用程序的功能，下面3层（即3、2、1层）主要面向通过网络的端到端的数据流。应用层常见的协议有：HTTP、FTP、SMTP等；常见的传输层有：TCP、UDP。本文主要是基于TCP自定义协议实现客户端与服务端的长连接。

2. Socket

Socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口，通常也称作"套接字"。套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：客户端请求，服务端回复收到，客户端收到服务端的回复，即三次握手。连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例完成所需的会话。对于一个网络连接来说，套接字是平等的，并没有差别，不因为在服务器端或在客户端而产生不同级别。

3. 位（bit）、字节（byte）

“位(bit)”是电子计算机中最小的数据单位。每一位的状态只能是0或1；“字节(Byte)”由8个二进制位构成（即1byte=8bit），它是存储空间的基本计量单位，它能表示到数值范围为0到255（即2的8次方减1）；

4. 算术移位运算（符号位不变，低位补0）

• 左移运算：1<<2，1的二进制位是1，向左移两位是100，转为十进制数即为4，所以1<<2的运算结果是4；

• 右移运算：7>>2，7的二进制位是111，向右移两位是1，所以7>>2的运算结果是1 。

5. Java中各类型占字节数

byte      8位，1个字节
boolean   8位，1个字节
char      16位，2个字节
short     16位，2个字节
int       32位，4个字节
float     32位，4个字节
double    64位，8个字节
long      64位，8个字节

6. Java中socket相关函数

• Socket构造函数

  • Socket(InetAddress address, int port)throws UnknownHostException, IOException

  • Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException

  • Socket(String host, int port)throws UnknownHostException, IOException

  • Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException

  • 还可以通过以下方式生成socket：

    SocketFactory.getDefault().createSocket(String address, String port) throws ConnectException

• Socket方法

  • getInetAddress(); // 远程服务端的IP地址

  • getPort(); // 远程服务端的端口

  • getLocalAddress(); // 本地客户端的IP地址

  • getLocalPort(); // 本地客户端的端口

  • getInputStream(); // 获得输入流

  • getOutStream(); // 获得输出流

• Socket状态

  • isClosed(); // 连接是否已关闭，若关闭，返回true；否则返回false

  • isConnect(); // 如果曾经连接过，返回true；否则返回false

  • isBound(); // 如果Socket已经与本地一个端口绑定，返回true；否则返回false

  • 判断Socket的状态是否处于连接中

    boolean isConnected = socket.isConnected() && !socket.isClosed();   // 判断当前是否处于连接

• ServerSocket构造函数

  • ServerSocket()throws IOException

  • ServerSocket(int port)throws IOException

  • ServerSocket(int port, int backlog)throws IOException

  • ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)throws IOException

• 服务端接收客户端的连接请求：

  Socket socket = serverSocket.accept();

7. Java中常见流操作类

• 输入流

  • InputStream

    • 抽象类，描述流的输入

  • ByteArrayInputStream

    • 从字节数组读取的输入流

  • BufferedInputStream

    • 缓冲输入流

  • FileInputStream

    • 从文件读入的输入流

  • ObjectInputStream

    • 对象输入流（所读写的对象必须实现Serializable接口）

  • DataInputStream

    • 包含了读取Java标准数据类型的输入流

• 输出流

  • OutputStream

    • 抽象类，描述流的输入

  • ByteArrayOutputStream

    • 写入字节数组的输出流

  • BufferedOutputStream

    • 缓冲输出流

  • FileOutputStream

    • 写入文件的输出流

  • ObjectOutputStream

    • 对象输出流（所读写的对象必须实现Serializable接口）

  • DataOutputStream

    • 包含了写Java标准数据类型的输出流

二、一个简单的socket连接例子

注：先运行服务端代码的main函数，再运行客户端代码的main函数，即可看到打印连接成功

1. 客户端

import java.net.Socket;

/**
 * Created by meishan on 16/12/1.
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        boolean isConnected;
        String host = "127.0.0.1";
        int port = 1122;
        Socket socket = null;
        try {
            socket = SocketFactory.getDefault().createSocket(host, port);
            isConnected = true;
            System.out.println("连接成功！");
        } catch (ConnectException e) {
            isConnected = false;
            e.printStackTrace();
            System.out.println("连接失败！");
        }

        if (!isConnected) {
            return;
        }

        Thread.sleep(5000);

        socket.close();
        System.out.println("断开连接！");
    }
}

2. 服务端

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * Created by meishan on 16/12/1.
 */
public class Server {

    private int port = 1122;
    private ServerSocket serverSocket;

    public Server() throws Exception {
        serverSocket = new ServerSocket(port, 3);//显式设置连接请求队列的长度为3
        System.out.println("服务器启动!");
    }

    public void service() {
        while (true) {
            Socket socket = null;
            try {
                socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("New connection accepted " + socket.getInetAddress() + ":" + socket.getPort());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (socket != null) {
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Server server = new Server();
        Thread.sleep(3000);
        server.service();
    }
}

三、一个简单的自定义协议例子

例子中，数据包的定义：消息对象=包类型+包长度+消息内容

• 包类型 byte 型

• 包长度 int 型

• 消息内容 byte[] 型

1. 客户端

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Scanner;

/**
 * Created by meishan on 16/12/1.
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket client = new Socket("127.0.0.1", 9091);
            OutputStream out = client.getOutputStream();
            DataOutputStream outs = new DataOutputStream(out);
            while (true) {
                Scanner scaner = new Scanner(System.in);
                genProtocol(outs, scaner.next());
            }
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 构造协议
     *
     * @param out
     * @param msg
     * @throws IOException
     */
    private static void genProtocol(DataOutputStream out, String msg) throws IOException {
        int type = 1;                          //消息类型
        byte[] bytes = msg.getBytes();         //消息内容
        int totalLen = 1 + 4 + bytes.length;   //消息长度

        out.writeByte(type);                   //写入消息类型
        out.writeInt(totalLen);                //写入消息长度
        out.write(bytes);                      //写入消息内容

        out.flush();
    }
}

2. 服务端

import java.io.DataInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * Created by meishan on 16/12/1.
 */
public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket server = new ServerSocket(9091);
            while (true) {
                Socket client = server.accept();
                System.out.println("客户端" + client.getRemoteSocketAddress() + "连接成功");
                parseProtocol(client);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 消息解析
     *
     * @param client
     * @throws IOException
     */
    private static void parseProtocol(Socket client) throws IOException {
        InputStream is = client.getInputStream();
        DataInputStream dis = new DataInputStream(is); //读取Java标准数据类型的输入流

        //协议解析
        while (true) {
            byte type = dis.readByte();               //读取消息类型
            int totalLen = dis.readInt();             //读取消息长度
            byte[] data = new byte[totalLen - 4 - 1]; //定义存放消息内容的字节数组
            dis.readFully(data);                      //读取消息内容
            String msg = new String(data);            //消息内容

            System.out.println("接收消息类型" + type);
            System.out.println("接收消息长度" + totalLen);
            System.out.println("发来的内容是:" + msg);
        }
    }
}

四、总结

本文简单介绍了socket通信和自定义协议的相关知识点，为后续的深入做一些准备工作，下一篇文章《基于Java Socket的自定义协议，实现Android与服务器的长连接（二）》将通过一个实例来详细讲解自定义协议实现长连接通信。