JAVA 中原生的 socket 通信机制

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当前环境

jdk == 1.8

知识点

socket 的连接处理
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，和大家聊一下 JAVA 中的 socket 通信问题。这里采用最简单的一请求一响应模型为例，假设我们现在需要向 baidu 站点进行通信。我们用 JAVA 原生的 socket 该如何实现。

建立 socket 连接

首先，我们需要建立 socket 连接（核心代码）

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
        
// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化远程连接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 建立连接
socket.connect(remote);

处理 socket 输入输出流

成功建立 socket 连接后，我们就能获得它的输入输出流，通信的本质是对输入输出流的处理。通过输入流，读取网络连接上传来的数据，通过输出流，将本地的数据传出给远端。

socket 连接实际与处理文件流有点类似，都是在进行 IO 操作。

获取输入、输出流代码如下：

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

关于 IO 流的处理，我们一般会用相应的包装类来处理 IO 流，如果直接处理的话，我们需要对 byte[] 进行操作，而这是相对比较繁琐的。如果采用包装类，我们可以直接以string、int等类型进行处理，简化了 IO 字节操作。

下面以 BufferedReader 与 PrintWriter 作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 连接、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。

因为有了 IO 包装类的支持，我们可以直接以字符串的格式进行传输，由包装类帮我们将数据装换成相应的字节流。

因为我们与 baidu 站点进行的是 HTTP 访问，所有我们不需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信格式）。

请求的数据内容处理如下：

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";
    }
    
}

发送请求数据代码如下：

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

接收响应数据代码如下：

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

结果展示

至此，讲完了原生 socket 下的创建连接、发送请求与接收响应的所有核心代码。

完整代码如下：

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 {
            // 设置 socket 连接
            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，我们通过实例化一个客户端，来展示 socket 通信的结果。

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。但是我们细看，发现在 IO 写入与读取过程，是发生了 IO 阻塞的情况。即：

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

所以如果要同时请求10个不同的站点，如下：

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);

        }

    }
}

它一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连接，但是具体的操作和服务端是差不多的。请求只能一个个串行处理，这在响应时间上肯定不能达标。

多线程处理

有人觉得这根本不是问题，JAVA 是多线程的编程语言。对于这种情况，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，应用会起很多的线程。都知道，在服务器上，每一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，而且大量的线程，造成的线程间切换的消耗也会相当的大。所以这种方式在并发量大的场景下，一定是承载不住的。

多线程 + 线程池处理

既然线程太多不行，那我们控制一下线程创建的数目不就行了。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，一般 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，如果一个线程能同时处理多个 socket 连接，并且在每个 socket 输入输出数据没有准备好的情况下，不进行阻塞，那是不是更优呢。这种技术叫做“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

JAVA 中原生的 socket 通信机制