基於JAVA Socket的底層原理分析及工具實現

時間 2020-06-09

標籤基於 java socket 底層原理分析工具實現欄目 Java 简体版

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前言

　在工做開始以前，咱們先來了解一下Sockethtml

　　所謂Socket，又被稱做套接字，它是一個抽象層，簡單來講就是存在於不一樣平臺（os）的公共接口。學過網絡的同窗能夠把它理解爲基於傳輸TCP/IP協議的進一步封裝，封裝到以致於咱們從表面上使用就像對文件流同樣的打開、讀寫和關閉等操做。此外，它是面向應用程序的，應用程序能夠經過它發送或接收數據而不用過多的顧及網絡協議。java

　那麼，Socket是存在於不一樣平臺的公共接口又是什麼意思呢？　　瀏覽器

　　形象的說就是「插座」，是不一樣OS之間進行通訊的一種約定或一種方式。經過 Socket 這種約定，一臺計算機能夠接收其餘計算機的數據，也能夠向其他計算機發送數據。Socket 的典型應用就是 Web 服務器和瀏覽器，瀏覽器獲取用戶輸入的 URL，經過解析出服務器的IP地址，向服務器IP發起請求，服務器分析接收到的 URL，將對應的網頁內容返回給瀏覽器，瀏覽器再通過解析和渲染，就將文字、圖片、視頻等元素呈現給用戶。服務器

　問題又來了，不經過系統之間可否進行Socket通訊呢？

　　首先，咱們瞭解一下經常使用操做系統中的Socket。網絡

　　在 UNIX/Linux 系統中，爲了統一對硬件的操做，簡化接口，不一樣的硬件設備都被當作一個文件。對這些文件的操做，就等同於對磁盤上普通文件的操做。socket

　　你也許聽不少高手說過，UNIX/Linux 中的一切都是文件！那個傢伙說的沒錯。tcp

　　學過操做系統的同窗可能知道，當對文件進行I/O操做時，系統一般會爲文件分配一個ID，也就是文件描述符。簡單來說就是系統對文件的操做轉化爲ide

對文件描述符的操做，它的背後多是一個硬盤上的普通文件、FIFO、管道、終端、鍵盤、顯示器，甚至是一個網絡鏈接。函數

　　一樣的，網絡鏈接也被定義爲是一種相似的I/O操做，相似於文件，它也有文件描述符。this

　　因此當咱們能夠經過 Socket來進行一次通訊時，也能夠被稱做操做網絡文件的過程。在網絡創建時，socket() 的返回值就是文件描述符。有了這個文

件描述符，咱們就可使用普通的文件操做函數來傳輸數據了，例如：

用 read() 讀取從遠程計算機傳來的數據；
用 write() 向遠程計算機寫入數據。

　　不難發現，除了不一樣主機之間的Socket創建過程咱們還不清楚，Socket的通訊過程就是簡單的文件流處理過程。

　　在Windows系統中，也有相似「文件描述符」的概念，但一般被稱爲「文件句柄」。所以，本教程若是涉及 Windows 平臺將使用「句柄」，若是涉及Linux

平臺則使用「描述符」。與UNIX/Linux 不一樣的是，Windows 會區分 socket 和文件，Windows 就把 socket 當作一個網絡鏈接來對待，所以須要調用專們

針對 socket 而設計的數據傳輸函數，針對普通文件的輸入輸出函數就無效了。

步入正題

　　說了這麼多，到底不一樣系統間不一樣定義的Socket是怎麼通訊的呢？

　　在此，咱們以JAVA Socket 與 Linux Socket的關係分析爲例進行說明。首先，拿TCP Socket通訊過程來說，就是客戶端與服務器進行TCP數據交互，它分爲一下幾個步驟：

系統分配資源，服務端開啓Socket進程，對特定端口號進行監聽
客戶端針對服務端IP進行特定端口的鏈接
鏈接創建，開始通訊
通訊完成，關閉鏈接

　　以TCP的通訊過程爲例，過程以下：

　　具體來講，JAVA是怎樣完成對底層Linux Socket接口的調用的呢？如下圖爲例，當咱們在JAVA建立一個TCP鏈接時，須要首先實例化JAVA的ServerSocket類，其中封裝了底層的socket（）方法、bind()方法、listen（）方法。

其中，socket()方法是JVM對Linux API的調用，詳細以下：

　　　　1 建立socket結構體
　　　　2 建立tcp_sock結構體,剛建立完的tcp_sock的狀態爲:TCP_CLOSE
　　　　3 建立文件描述符與socket綁定

　　bind ()方法在Linux 的底層詳細以下：

　　　　1.將當前網絡命名空間名和端口存到bhash()

　　　　能夠理解爲，綁定到系統可以找到的地方。

　　listen()方法在Linux 的底層詳細以下：

　　　　1.檢查偵聽端口是否存在bhash中

　　　　2.初始化csk_accept_queue

　　　　3.將tcp_sock指針存放到listening_hash表

　　　　簡單來說就是驗證鏈接請求的端口是否被開啓。

　　accpet()方法在Linux 的底層詳細以下：　　

1.調用accept方法

2.建立socket(建立新的準備用於鏈接客戶端的socket)

3.建立文件描述符

4.阻塞式等待(csk_accept_queue)獲取sock

咱們知道在listen階段,會爲偵聽的sock初始化csk_accept_queue,此時這個queue爲空，因此accept()方法會在此時阻塞住,直到後面有客戶端成功握手後,這個queue纔有sock.若是csk_accept_queue不爲空,則返回一個sock.後續的邏輯如accept第二個圖所示,其步驟以下:

5.取出sock

6.socket與sock互相關聯

7.socket與文件描述符關聯

8.將socket返回給線程

　　到此，JAVA調用Linux API的初始步驟完成。

　　讓咱們來用JAVA Socket進行簡單的編碼實現。目標：

　　1. 可以實現數據通訊

　　2. 可以實現客戶端和服務端多對一鏈接。

　　在此，以基於TCP鏈接過程爲例，完成以上編碼。服務端較爲容易實現，它只須要開啓監聽端口，等待鏈接。同時對發送和接收模塊進行封裝，以證上面所說Socket通訊類似於IO過程。

Server端代碼：

 1 package tcp_network;  2 
 3 import java.io.DataInputStream;  4 import java.io.DataOutputStream;  5 import java.io.IOException;  6 import java.net.ServerSocket;  7 import java.net.Socket;  8 
 9 public class Tcp_server { 10     public static void main(String arg[]) throws IOException { 11         System.out.print("服務端啓動.......\n"); 12         ServerSocket server = new ServerSocket(9660); //初始化一個監聽端口，讓系統分配相關socket資源 13         boolean isRunable = true; 14         while (isRunable){//循環等待鏈接的創建 15             Socket client = server.accept(); 16             System.out.print("一個客戶端創建了鏈接.......\n"); 17             new Thread(new Channel(client)).start();//每有一個通訊鏈接，將它放到新的線程中去，實現一個服務端對多個客戶端 18  } 19  server.close(); 20  } 21     public static class Channel implements Runnable{//封裝服務的類，完成接收和發送的實現 22         private Socket client; 23         private DataInputStream in_data; 24         private DataOutputStream out_data; 25         public Channel(Socket client) throws IOException { //構造函數加載，簡單初始化相關輸入輸出流 26             this.client = client; 27             in_data = new DataInputStream(client.getInputStream());//將通訊的字節流封裝爲IO的輸入輸出流 28             out_data = new DataOutputStream(client.getOutputStream()); 29  } 30         public String receive() throws IOException {//經過對輸入流 31             String data = in_data.readUTF(); 32             return data; 33  } 34         public void send(String msg) throws IOException { 35  out_data.writeUTF(msg);//將數據寫到數據流當中 36  out_data.flush();//刷新緩衝，發送數據 37  } 38         public void release() throws IOException {//鏈接結束時，釋放系統資源 39  in_data.close(); 40  out_data.close(); 41  client.close(); 42  } 43  @Override 44         public void run() { 45             try { 46  String receive_data; 47                 while (true){ 48                     receive_data = receive(); 49                     if(!receive_data.equals("")) 50  { 51                         if(receive_data.equals("Hello")) 52  { 53                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客戶端信息："+receive_data+"\n"); 54                             send("Hi"); 55  } 56                         else { 57                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客戶端信息："+receive_data+"\n"); 58  send(receive_data.toUpperCase()); 59  } 60  } 61  } 62             } catch (IOException e) { 63                 try { 64  release(); 65                 } catch (IOException ex) { 66  ex.printStackTrace(); 67  } 68  e.printStackTrace(); 69  } 70  } 71  } 72 }

Client端代碼：

package tcp_network; import java.io.*; import java.net.Socket; public class Tcp_client { public static void main(String arg[]) throws IOException { Socket client = new Socket("localhost",9660);//新建socket資源 boolean isRuning = true; while (isRuning) { //new Send(client).send(); //new Receive(client).receive();
            new Thread(new Send(client)).start();//啓動發送線程 new Thread(new Receive(client)).start();//啓動接收線程 } } public static class Send implements Runnable { private DataOutputStream out_data; private BufferedReader console; private String msg; public Send(Socket client) throws IOException { this.console = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));//接收系統輸入 this.msg = init(); try { this.out_data = new DataOutputStream(client.getOutputStream());//將字符流轉化爲數據流 }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } } private String init() throws IOException { String msg=console.readLine(); return msg; } @Override public void run() {//在線程體內實現發送數據 try { out_data.writeUTF(msg); out_data.flush(); System.out.println("send date !"); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } } } public static class Receive implements Runnable{//將接收模塊單獨封裝，目的是避免通訊時接收一直阻塞 private DataInputStream in_data; private String msg; public Receive(Socket client){ try{ in_data = new DataInputStream(client.getInputStream());//轉換流 } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void run() { String data = null; try {//在線程中實現接收 IO緩衝區數據並輸出 data = in_data.readUTF(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } System.out.print("服務端："+data+"\n"); } } }