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Java Socket探究

高洛峰

Nov 23, 2016 pm 03:00 PM

Java中的Socket可以分為普通Socket和NioSocket兩種。

普通Socket的用法

Java中的網路通訊是透過Socket實現的，Socket分為ServerSocket和Socket兩大類，ServerSocket用於服務端，可以透過accept方法監聽請求，監聽到請求後返回Socket，Socket用於具體完成資料傳輸，客戶端直接使用Socket發起請求並傳輸資料。

一個簡單的互動介紹ServerSocket及Socket的使用：

1. 建立ServerSocket。

ServerSocket的構造方法總共有5個。最方便的是傳入一個連接埠參數的方法。

2. 呼叫創建出來的ServerSocket的accept方法進行監聽

accept方法是阻塞方法，也就是說調用accept方法後程式會停下來等待連接請求，在接收到請求之前程式將不會繼續執行，當接收到請求之後，accept方法會傳回一個Socket。

3. 使用accept方法傳回的Socket與客戶端進行通訊。

服務端程式碼範例：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class Server {

    public static void main(String[] args) {

        try {
            //创建一个ServeSocket,设置端口为8080
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
            //运行Socket监听,等待请求 此方法会阻塞线程,当有请求时才会继续执行
            Socket socket = serverSocket.accept();
            //接收到请求之后使用Socket进行通信,创建BufferedReader用于读取请求的数据
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            String line = in.readLine();
            System.out.println(line);
            //创建PrintlnWriter,用于发送数据
            out.println("已经接受到了数据");
            out.flush();
            System.out.println("Server关闭" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.sss").format(new Date()));
            //关闭资源
            out.close();
            in.close();
            socket.close();
            serverSocket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }
    }
}

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客戶端程式碼範例：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;


/** * 客户端 * @author sanchan */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //需要先启动Server否则报错java.net.ConnectException: Connection refused
        try {
            String msg="你好,ServerSocket!";
            //创建一个Socket,与本机8080端口连接
            Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8080);
            //使用Socket创建PrintWriter和BufferedReader进行数据的读写
            PrintWriter out=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            out.println(msg);
            out.flush();
            BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line=in.readLine();
            System.out.println(line);
            //关闭资源
            in.close();
            out.close();
            socket.close();
            System.out.println("client关闭"+new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.sss").format(new Date()));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }
    }
}

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NioSocket的使用

nio(new IO)是JDK1.4新增加的IO模式，nio在底層採用了與新的處理方式大大的與新的處理方式大大的提高了Java IO的效率。 Socket也屬於IO的一種，nio提供了相對應的類別：ServerSocketChannel和SocketChannel，分別對應原來的ServerSocket和Socket。

理解nio三基礎：

1. Buffer

2. Channel

3. Selector

小故事里有大智慧：

试想一下如果电商是只要有订单就派人直接取货去送货【这种模式就相当于之前的Socket方式】，而不是现在的快递模式：将货物统一到中转站，分拣员按照配送范围分配快递员，然后快递员统一送货【这种模式就相当于NioSocket模式】。那么你得多长时间收到你得快递/(ㄒoㄒ)/~~
Buffer就是货物，Channel就是快递员，Selector就是中转站的分拣员。

NioSocket使用步骤：

1. 创建ServerSocketChannel并设置相应参数

SerSocketChannel可以使用自身的静态工厂方法open创建。每个ServerSocketChannel对应一个ServerSocket，可以调用其socket方法来获取【不过如果使用该ServerSocket监听请求就又回到原来的普通Socket 模式了，一般只用于使用bind方法绑定端口】。 ServerSocketChannel可以通过`SelectableChannel configureBlocking(boolean block)` 方法来设置是否采用阻塞模式。设置非阻塞模式之后可以调用register方法注册Selector【阻塞模式不可以使用Selector】

2. 创建Selector并注册Selector到ServerSocketChannel上

Selector可以使用自身的静态工厂方法open创建。
创建后通过上面所说的Channel的register方法注册到ServerSocketChannel或者SocketChannel上。

3.调用Selector的select方法等待请求

通过select方法等待请求，select方法可传入代表最长等待时间的long型参数。在设定时间内接收到相应操作的请求则返回可以处理请求的数量，否则在超时后返回0，程序继续执行。如果传入0或者使用无参的重载方法，则会采用阻塞模式直到有相应操作的请求出现。

4. 使用Selector接收请求并处理

接收到请求后Selector调用selectedKeys返回SelectionKey的Set集合。

5. 使用SelectionKey获取到Channel、Selector和操作类型并进行具体操作。

SelectionKey保存了处理当前请求的Channel和Selector，并提供了不同的操作类型。前面提到的Channel注册Selector的register方法参数中第二个参数就是SelectionKey定义的。共有四种：

SelectionKey.OP_ACCEPT  
 //请求操作SelectionKey.OP_CONNECT  
 //链接操作SelectionKey.OP_READ     
 //读操作SelectionKey.OP_WRITE    
 //写操作

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只有在register方法中注册了对应的操作Selector才会关心相应类型操作的请求。
Selector和Channel是多对多关系。
Selector是按不同的操作类型进行分拣，将分拣结果保存在SelectionKey中，可分别通过SelectionKey的channel、selector方法来获取对应的Channel和Selector。可以使用SelectionKey的isAcceptable、isConnectable、isReadable和isWritable方法来判断是什么类型的操作。

Buffer是专门用于存储数据,有四个极为重要的属性:

capacity:容量。
Buffer最多可以保存元素的数量,创建时设置,使用过程中不可修改。

limit:可以使用的上限。
刚创建Buffer时limit等于capacity。如果给limit设置【不能超过capacity】之后,limit就成了最大可访问的值。
例如,一个Buffer的capacity为100,表示最多可以保存100个数据,只写入20个之后就要读取,在读取时limit就会设置为20。

position:当前所操作元素所在索引位置。
position从0开始,随着get和put方法自动更新。

mark:用来暂时保存position的值。
position保存到mark之后就可以修改并进行相关的操作,操作完成后可以通过reset方法将mark的值恢复到position。
mark默认值为-1,且其值必须小于position的值。
例如,Buffer中一共保存了20个数据,position为10,现在想读取15到20之间的数据,这时就可以调用Buffer的mark方法将目前的position保存到mark中,然后调用Buffer的position(15)将position指向第15个元素,这时就可以读取。读取完成之后使用Buffer的reset就可以将position恢复到10.
如果调用Buffer的position方法时传入的值小于mark当前的值,则会将mark设为-1。
这四个属性大小关系：mark<=position<=limit<=capacity

我们将前面的普通Socket示例的服务端改写一下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;

/** * @author sanchan * @since 1.0 */
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) {
        /** * 启动监听 * 当监听到请求时根据SelectionKey的操作类型交给内部类Handler进行处理 */
        try {
            //创建ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            //设置监听8080端口
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            //设置为非阻塞模式
            ssc.configureBlocking(false);
            //为ServerSocketChannel注册Selector
            Selector selector = Selector.open();
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            //创建Handler
            Handler handler = new Handler(1024);
            while (true) {
                //等待请求,每次等待阻塞3s,超过3秒后线程继续运行,如果传入0或使用无参重载方法,将一直阻塞
                if (selector.select(3000) == 0) {
                    System.out.println("等待请求超时~~~~~");
                    continue;
                }
                System.out.println("处理请求~~~~~");
                //获取等待处理的SelectionKey
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
                    try {
                        //根据不同请求操作选择对应的处理方法
                        if (key.isAcceptable()) {
                            handler.handleAccept(key);
                        }
                        if (key.isReadable()) {
                            handler.handleRead(key);
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        //如果异常就说明连接结束,移除
                        keyIterator.remove();
                        continue;
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }

    }

    /** * 请求处理类 */
    private static class Handler {
        private int bufferSize = 1024;
        private String localCharset = "UTF-8";

        public Handler() {
        }

        public Handler(int bufferSize) {
            this(bufferSize, null);
        }

        public Handler(String localCharset) {
            this(-1, localCharset);
        }

        public Handler(int bufferSize, String localCharset) {
            if (bufferSize > 0)
                this.bufferSize = bufferSize;
            if (localCharset != null)
                this.localCharset = localCharset;
        }

        /** * 处理请求操作 * * @param key * @throws IOException */
        public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
            //获取Channel
            SocketChannel sc = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
            //设置非阻塞
            sc.configureBlocking(false);
            //注册读操作的Selector
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufferSize));
        }

        /** * 处理读操作 * * @param key * @throws IOException */
        public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
            //获取Channel
            SocketChannel sc = ((SocketChannel) key.channel());
            //获取ByteBuffer
            /** * Buffer专门用于存储数据,有四个极为重要的属性: * 1. capacity:容量。 * Buffer最多可以保存元素的数量,创建时设置,使用过程中不可修改。 * 2. limit:可以使用的上限。 * 刚创建Buffer时limit等于capacity。如果给limit设置【不能超过capacity】之后,limit就成了最大可访问的值。 * 例如,一个Buffer的capacity为100,表示最多可以保存100个数据,只写入20个之后就要读取,在读取时limit就会设置为20。 * 3. position:当前所操作元素所在索引位置。 * position从0开始,随着get和put方法自动更新。 * 4. mark:用来暂时保存position的值。 * position保存到mark之后就可以修改并进行相关的操作,操作完成后可以通过reset方法将mark的值恢复到position。 * mark默认值为-1,且其值必须小于position的值。 * 例如,Buffer中一共保存了20个数据,position为10,现在想读取15到20之间的数据,这时就可以调用Buffer的mark方法将目前的position保存到mark中,然后调用Buffer的position(15)将position指向第15个元素,这时就可以读取。读取完成之后使用Buffer的reset就可以将position恢复到10. * 如果调用Buffer的position方法时传入的值小于mark当前的值,则会将mark设为-1。 */
            ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
            //重置ByteBuffer。设置limit=capacity、position=0、mark=-1
            buffer.clear();
            //没有获取到内容则关闭
            if (sc.read(buffer) == -1) {
                sc.close();
            } else {
                /** * flip()作用: * 在保存数据时保存一个数据position加1,保存完成后要读取数据 * 就得设置limit=position，position=0 **/
                buffer.flip();
                //返回数据到客户端
                String receivedString = Charset.forName(localCharset).newDecoder().decode(buffer).toString();
                System.out.println("从客户端获取到了数据:" + receivedString);
                String sendString = "服务端已经获取到了数据:" + receivedString;
                buffer = ByteBuffer.wrap(sendString.getBytes(localCharset));
                sc.write(buffer);
                //关闭SocketChannel
                sc.close();
            }

        }
    }
}

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