JAVA 中原生的 socket 通訊機制

JAVA 中原生的 socket 通訊機制

摘要：本文屬於原創，歡迎轉載，轉載請保留出處：https://github.com/jasonGeng88/blog

當前環境

1. jdk == 1.8

知識點

• socket 的鏈接處理
• IO 輸入、輸出流的處理
• 請求數據格式處理
• 請求模型優化

場景

今天，和你們聊一下 JAVA 中的 socket 通訊問題。這裏採用最簡單的一請求一響應模型爲例，假設咱們如今須要向 baidu 站點進行通訊。咱們用 JAVA 原生的 socket 該如何實現。

創建 socket 鏈接

首先，咱們須要創建 socket 鏈接（核心代碼）

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
        
// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化遠程鏈接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 創建鏈接
socket.connect(remote);

處理 socket 輸入輸出流

成功創建 socket 鏈接後，咱們就能得到它的輸入輸出流，通訊的本質是對輸入輸出流的處理。經過輸入流，讀取網絡鏈接上傳來的數據，經過輸出流，將本地的數據傳出給遠端。

socket 鏈接實際與處理文件流有點相似，都是在進行 IO 操做。

獲取輸入、輸出流代碼以下：

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

關於 IO 流的處理，咱們通常會用相應的包裝類來處理 IO 流，若是直接處理的話，咱們須要對 byte[] 進行操做，而這是相對比較繁瑣的。若是採用包裝類，咱們能夠直接以string、int等類型進行處理，簡化了 IO 字節操做。

下面以 BufferedReader 與 PrintWriter 做爲輸入輸出的包裝類進行處理。

// 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));
}

數據請求與響應

有了 socket 鏈接、IO 輸入輸出流，下面就該向發送請求數據，以及獲取請求的響應結果。

由於有了 IO 包裝類的支持，咱們能夠直接以字符串的格式進行傳輸，由包裝類幫咱們將數據裝換成相應的字節流。

由於咱們與 baidu 站點進行的是 HTTP 訪問，全部咱們不須要額外定義輸出格式。採用標準的 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訊格式）。

請求的數據內容處理以下：

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";
    }
    
}

發送請求數據代碼以下：

// 發起請求
PrintWriter writer = getWriter(socket);
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
writer.flush();

接收響應數據代碼以下：

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

結果展現

至此，講完了原生 socket 下的建立鏈接、發送請求與接收響應的全部核心代碼。

完整代碼以下：

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 {
            // 設置 socket 鏈接
            SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
            socket.setSoTimeout(5000);
            socket.connect(remote);

            // 發起請求
            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，咱們經過實例化一個客戶端，來展現 socket 通訊的結果。

public class Application {

    public static void main(String[] args) {

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

    }
}

結果輸出：

請求模型優化

這種方式，雖然實現功能沒什麼問題。可是咱們細看，發如今 IO 寫入與讀取過程，是發生了 IO 阻塞的狀況。即：

// 會發生 IO 阻塞
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
reader.readLine();

因此若是要同時請求10個不一樣的站點，以下：

public class SingleThreadApplication {

    public static void main(String[] args) {

        // HttpConstant.HOSTS 爲 站點集合
        for (String host: HttpConstant.HOSTS) {

            new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);

        }

    }
}

它必定是第一個請求響應結束後，纔會發起下一個站點處理。

這在服務端更明顯，雖然這裏的代碼是客戶端鏈接，可是具體的操做和服務端是差很少的。請求只能一個個串行處理，這在響應時間上確定不能達標。

• 多線程處理

有人以爲這根本不是問題，JAVA 是多線程的編程語言。對於這種狀況，採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，但併發量一大，應用會起不少的線程。都知道，在服務器上，每個線程實際都會佔據一個文件句柄。而服務器上的句柄數是有限的，並且大量的線程，形成的線程間切換的消耗也會至關的大。因此這種方式在併發量大的場景下，必定是承載不住的。

• 多線程 + 線程池 處理

既然線程太多不行，那咱們控制一下線程建立的數目不就好了。只啓動固定的線程數來進行 socket 處理，既利用了多線程的處理，又控制了系統的資源消耗。

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);

        }

    }
}

關於啓動的線程數，通常 CPU 密集型會設置在 N+1（N爲CPU核數），IO 密集型設置在 2N + 1。

這種方式，看起來是最優的了。那有沒有更好的呢，若是一個線程能同時處理多個 socket 鏈接，而且在每一個 socket 輸入輸出數據沒有準備好的狀況下，不進行阻塞，那是否是更優呢。這種技術叫作「IO多路複用」。在 JAVA 的 nio 包中，提供了相應的實現。

後續

• JAVA 中是如何實現 IO多路複用
• Netty 下的實現異步請求的