Java网络编程和NIO详解1：JAVA 中原生的 socket 通信机制

2019 年 11 月 21 日
筆記

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该系列博文会告诉你如何从计算机网络的基础知识入手，一步步地学习Java网络基础，从socket到nio、bio、aio和netty等网络编程知识，并且进行实战，网络编程是每一个Java后端工程师必须要学习和理解的知识点，进一步来说，你还需要掌握Linux中的网络编程原理，包括IO模型、网络编程框架netty的进阶原理，才能更完整地了解整个Java网络编程的知识体系，形成自己的知识框架。

为了更好地总结和检验你的学习成果，本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

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/1.1rn" +                  "Host: " + host + "rn" +                  "User-Agent: curl/7.43.0rn" +                  "Accept: */*rnrn";      }    }

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);        }  }

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。

补充1：TCP客户端与服务端

public class TCP客户端 {      public static void main(String[] args) {          new Thread(new Runnable() {              @Override    public void run() {                  try {                      Socket s = new Socket("127.0.0.1",1234);    //构建IO    InputStream is = s.getInputStream();    OutputStream os = s.getOutputStream();    BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(os));    //向服务器端发送一条消息    bw.write("测试客户端和服务器通信，服务器接收到消息返回到客户端n");    bw.flush();    //读取服务器返回的消息    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));    String mess = br.readLine();    System._out_.println("服务器："+mess);    } catch (UnknownHostException e) {                      e.printStackTrace();    } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();    }              }          }).start();    }  }

public class TCP服务端 {      public static void main(String[] args) {          new Thread(new Runnable() {              @Override    public void run() {                  try {                      ServerSocket ss = new ServerSocket(1234);   while (true) {                          System._out_.println("启动服务器....");    Socket s = ss.accept();    System._out_.println("客户端:" + s.getInetAddress().getLocalHost() + "已连接到服务器");    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));    //读取客户端发送来的消息    String mess = br.readLine();    System._out_.println("客户端：" + mess);    BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));    bw.write(mess + "n");    bw.flush();    }                  } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();    }              }          }).start();    }  }

补充2：UDP客户端和服务端

public class UDP客户端 {      public static void main(String[] args) {          new Thread(new Runnable() {              @Override    public void run() {                  byte []arr = "Hello Server".getBytes();   try {                      InetAddress inetAddress = InetAddress.getLocalHost();    DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();    DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(arr, arr.length, inetAddress, 1234);    datagramSocket.send(datagramPacket);    System._out_.println("send end");    } catch (UnknownHostException e) {                      e.printStackTrace();    } catch (SocketException e) {                      e.printStackTrace();    } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();    }              }          }).start();    }  }

public class UDP服务端 {      public static void main(String[] args) {          new Thread(new Runnable() {              @Override    public void run() {                  try {                      DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(1234);   byte[] buffer = new byte[1024];    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);    datagramSocket.receive(packet);    System._out_.println("server recv");    String msg = new String(packet.getData(), "utf-8");    System._out_.println(msg);    } catch (SocketException e) {                      e.printStackTrace();    } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();    }              }          }).start();    }  }