Java進階：基於TCP通訊的網路實時聊天室

目錄

開門見山

一、數據結構Map

二、保證執行緒安全

三、群聊核心方法

四、聊天室具體設計

    0、用戶登錄伺服器

    1、查看當前上線用戶

    2、群聊

    3、私信

    4、退出當前聊天狀態

    5、離線

    6、查看幫助

五、聊天室服務完整程式碼

六、效果演示：基於TCP的網路實時聊天室

結語

開門見山

　　最近一個月記錄了學習Socket網路編程的知識和實戰案例，相對來說，比較系統地學習了基於TCP協議實現網路通訊，也是電腦網路中重中之重，TCP/IP屬於網路層，在java中，對該層的工作實現了封裝，在編程中，就更加容易地去實現通訊，而不用顧及底層的實現。當然，我們需要熟悉五層協議，在實踐中體會其中的原理，理解更加深刻。

　　所以，系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通訊，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通訊，在這個過程發現問題，接著就使用多執行緒技術解決客戶端實時接收資訊的問題，後來到了伺服器端，發現多用戶連接伺服器的「先到先得」問題，「後到者」無法正常通訊，所以再使用執行緒池技術解決了多用戶伺服器的問題。

　　到此，基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，因此，本篇將基於前面全部內容，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多執行緒技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網路實時聊天室，目前的功能包括：

  1.  L(list):查看當前上線用戶;
  2.  G(group):群聊;
  3.  O(one-one):私信;
  4.  E(exit):退出當前聊天狀態;
  5.  bye:離線;
  6.  H(help):查看幫助

本篇將詳細記錄網路實時聊天室的實現步驟，以系列文章為前提基礎，可見文末。

一、數據結構Map

　　前兩篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer實現了多執行緒的通訊，但也只是客戶端和伺服器的聊天，如何做到群組的聊天？想法就是客戶A的聊天資訊通過伺服器轉發到同時在線的所有客戶。

具體做法是需要在伺服器端新增記錄登陸客戶資訊的功能，每個用戶都有自己的標識。本篇將使用簡單的「在線方式」記錄客戶套接字，即採用集合來保存用戶登陸的套接字資訊，來跟蹤用戶連接。

所以，我們需要選擇一種合適的數據結構來保存用戶的Socket和用戶名資訊，那在java中，提供了哪些數據結構呢？

Java常用的集合類型有：Map、List和Set。Map是保存Key-Value對，List類似數組，可保存可重複的值，而Set只保存不重複的值，相當於是只保存key，不保存value的Map。

　　如果是有用戶名、學號登錄的操作，就可以採用Map類型的集合來存儲，例如可使用key記錄用戶名+學號，value保存套接字。對於本篇的網路聊天室的需求，需要採用Map，用來保存不同用戶的socket和登錄名。用戶套接字socket作為key來標識一個在線用戶是比較方便的選擇，因為每一個客戶端的IP地址+埠組合是不一樣的。

二、保證執行緒安全

　　很明顯，我們需要使用到多執行緒技術，而在多執行緒環境中，對共享資源的讀寫存在執行緒並發安全的問題，例如HashMap、HaspSet等都不是執行緒安全的，可以通過synchronized關鍵字進行加鎖，但還有更方便的方案：可以直接使用Java標準庫的java.util.concurrent包提供的執行緒安全的集合。例如HashMap的執行緒安全是 ConcurrentHashMap，HashSet的執行緒安全Set是CopyOnWriteArraySet。

如圖，Map繼承體系：

 在JDK1.8中，對HashMap進行了改進，當結點數量超過TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換為紅黑樹，這樣很大優化了查詢的效率，但仍然不是執行緒安全的。

這裡簡單了解一下，具體學習可以查詢相關資料。有了以上的基本知識，下面開始進入網路實時聊天室的具體實現。

三、群聊核心方法

　　基於前面這樣的想法：實現群聊就是客戶A的聊天資訊通過伺服器轉發到同時在線的所有客戶，伺服器端根據HashMap記錄登陸用戶的socket，向所有用戶轉發資訊。

核心的群組發送方法sendToAllMembers，用於給所有在線客服發送資訊。

private void sendToMembers(String msg,String hostAddress,Socket mySocket) throws IOException{
 
    PrintWriter pw;
    OutputStream out;
    Iterator iterator=users.entrySet().iterator();
    while (iterator.hasNext()){
        Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next();
        Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey();
        String name = (String) entry.getValue();
        if (!tempSocket.equals(mySocket)){
            out=tempSocket.getOutputStream();
            pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true);
            pw.println(hostAddress+"："+msg);
        }
    }
 
}

使用到了Map的遍歷，對其他所有用戶發送資訊。

相同的原理，我們實現私聊的功能，轉化為實現的思想，也就是當前用戶和指定用戶Socket之間的通訊，所以我寫了一個sendToOne的方法。

private void sendToOne(String msg,String hostAddress,Socket another) throws IOException{
 
    PrintWriter pw;
    OutputStream out;
 
    Iterator iterator=users.entrySet().iterator();
    while (iterator.hasNext()){
 
        Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next();
        Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey();
        String name = (String) entry.getValue();
 
        if (tempSocket.equals(another)){
            out=tempSocket.getOutputStream();
            pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true);
            pw.println(hostAddress+"私信了你："+msg);
        }
    }
}

以上兩個方法是本網路聊天室的關鍵，後面實現的功能將是對這兩個方法的靈活運用。

四、聊天室具體設計

目前聊天室的功能定位包括：1)查看當前上線用戶;2):群聊;3)私信;4)退出當前聊天狀態;5)離線;6)查看幫助。

首先，初始化最關鍵的數據結構，作為類成員變數，HashMap用來保存Socket和用戶名：

private ConcurrentHashMap<Socket,String> users=new ConcurrentHashMap();

每個功能具體實現如下：

0、用戶登錄伺服器

這裡是最開始的伺服器端的資訊處理，需要記錄每個用戶的登錄資訊，包括連接的套接字和自定義昵稱，方便後續使用。我採用的方法是當用戶連接伺服器時候，提醒用戶輸入用戶名來進一步操作，也實現了不重名的判斷邏輯。程式碼如下：

pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
pw.println("請輸入用戶名：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
    users.forEach((k,v)->{
        if (v.equals(hostName))
            flag=true;//執行緒修改了全局變數
    });
 
    if (!flag){
        localName=hostName;
        users.put(socket,hostName);
        flag=false;
        break;
    }
    else{
        flag=false;
        pw.println("該用戶名已存在，請修改！");
    }
}

登錄成功之後會向所有在線用戶告知上線資訊。

1、查看當前上線用戶

其實就是將伺服器端記錄在HashMap中的資訊返回給請求用戶，通過約定的命令L來查看：

 
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
 
users.forEach((k,v)->{
 
pw.println("用戶:"+v);
 
});
 
continue;
 
}

2、群聊

else if (msg.trim().equals("G")){
    pw.println("您已進入群聊。");
    while ((msg=br.readLine())!=null){
        if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
            sendToMembers(msg,localName,socket);
        else if (users.size()==1){
            pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
            break;
        }
        else {
            pw.println("您已退出群組聊天室！");
            break;
        }
    }
 
}

3、私信

同理，處理邏輯變為一對一的通訊，與之前伺服器-客戶端一對一類似，但是這裡需要更多的處理，保證邏輯正確，包括被私聊人的在線狀態，被私聊人用戶名是否正確等。

 1 //一對一私聊
 2 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
 3     pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
 4     String name=br.readLine();
 5  
 6     //查找map中匹配的socket，與之建立通訊
 7     //有待改進，處理輸入的用戶名不存在的情況
 8     users.forEach((k, v)->{
 9         if (v.equals(name)) {
10             isExist=true;//全局變數與執行緒修改問題
11         }
12  
13     });
14     //已修復用戶不存在的處理邏輯
15     Socket temp=null;
16     for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){
17         if(mapEntry.getValue().equals(name))
18             temp = mapEntry.getKey();
19 //                            System.out.println(mapEntry.getKey()+":"+mapEntry.getValue()+'\n');
20     }
21     if (isExist){
22         isExist=false;
23         //私信後有一方用戶離開，另一方未知，仍然發資訊而未收到回復，未處理這種情況
24         while ((msg=br.readLine())!=null){
25             if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
26                 sendToOne(msg,localName,temp);
27             else if (isLeaved(temp)){
28                 pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
29                 break;
30             }
31             else{
32                 pw.println("您已退出私信模式！");
33                 break;
34             }
35         }
36     }
37     else
38         pw.println("用戶不存在！");
39 }

點擊查看具體程式碼

4、退出當前聊天狀態

這個功能主要融入到群聊和私聊中，可見上面兩個功能實現的內部調用，定義了一個方法isLeaved，判斷用戶是否已經下線。

//判斷用戶是否已經下線
private Boolean isLeaved(Socket temp){
    Boolean leave=true;
    for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()) {
        if (mapEntry.getKey().equals(temp))
            leave = false;
    }
    return leave;
}

5、離線

這個功能比較簡單，通過約定的命令執行。

if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
     pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連接，結束服務！");
 
     users.remove(socket,localName);
 
     sendToMembers("我下線了",localName,socket);
     System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
     break;
}

6、查看幫助

通過命令H請求伺服器的幫助，是指用戶查看哪些命令對應的功能，來進行選擇。

else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
    pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
    continue;//返回循環
}

五、聊天室服務完整程式碼

聊天室實現主要工作在於服務端，聚焦於伺服器執行緒處理的內部類Hanler，上面是各個功能具體介紹，下面完整給出程式碼，只需要在前面文章的基礎上，見Java多執行緒實現多用戶與服務端Socket通訊。

修改伺服器端執行緒處理程式碼：

class Handler implements Runnable {
    private Socket socket;
 
    public Handler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
 
    public void run() {
        //本地伺服器控制台顯示客戶端連接的用戶資訊
        System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress());
        try {
            BufferedReader br = getReader(socket);
            PrintWriter pw = getWriter(socket);
 
            pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
            pw.println("請輸入用戶名：");
            String localName = null;
            while ((hostName=br.readLine())!=null){
                users.forEach((k,v)->{
                    if (v.equals(hostName))
                        flag=true;//執行緒修改了全局變數
                });
 
                if (!flag){
                    localName=hostName;
                    users.put(socket,hostName);
                    flag=false;//可能找出不一致問題
                    break;
                }
                else{
                    flag=false;
                    pw.println("該用戶名已存在，請修改！");
                }
            }
 
//                System.out.println(hostName+": "+socket);
            sendToMembers("我已上線",localName,socket);
            pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
 
            String msg = null;
            //用戶連接伺服器上線，進入聊天選擇狀態
            while ((msg = br.readLine()) != null) {
                if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
                    pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連接，結束服務！");
 
                    users.remove(socket,localName);
 
                    sendToMembers("我下線了",localName,socket);
                    System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
                    break;
                }
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
                    pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
                    continue;//返回循環
                }
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
                    users.forEach((k,v)->{
                        pw.println("用戶:"+v);
                    });
                    continue;
                }
                //一對一私聊
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
                    pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
                    String name=br.readLine();
 
                    //查找map中匹配的socket，與之建立通訊
                    users.forEach((k, v)->{
                        if (v.equals(name)) {
                            isExist=true;//全局變數與執行緒修改問題
                        }
 
                    });
                    //已修復用戶不存在的處理邏輯
                    Socket temp=null;
                    for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){
                        if(mapEntry.getValue().equals(name))
                            temp = mapEntry.getKey();
                    }
                    if (isExist){
                        isExist=false;
                        //私信後有一方用戶離開，另一方未知，仍然發資訊而未收到回復，未處理這種情況
                        while ((msg=br.readLine())!=null){
                            if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
                                sendToOne(msg,localName,temp);
                            else if (isLeaved(temp)){
                                pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
                                break;
                            }
                            else{
                                pw.println("您已退出私信模式！");
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else
                        pw.println("用戶不存在！");
                }
                //選擇群聊
                else if (msg.trim().equals("G")){
                    pw.println("您已進入群聊。");
                    while ((msg=br.readLine())!=null){
                        if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
                            sendToMembers(msg,localName,socket);
                        else if (users.size()==1){
                            pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
                            break;
                        }
                        else {
                            pw.println("您已退出群組聊天室！");
                            break;
                        }
                    }
 
                }
                else
                    pw.println("請選擇聊天狀態！");
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (socket != null)
                    socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

點擊查看具體程式碼

六、效果演示：TCP網路實時聊天室

首先，開啟多個客戶端，連接伺服器開始進入通訊狀態。

下面動圖演示了幾個基本功能，可以看到三個用戶實現了實時通訊聊天，包括群聊和私聊功能。其他功能就留給大家去探索。

結語

　　系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通訊，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通訊，在這個過程發現問題，接著就使用多執行緒技術解決客戶端實時接收資訊的問題，後來到了伺服器端，發現多用戶連接伺服器的「先到先得」問題，「後到者」無法正常通訊，所以再使用執行緒池技術解決了多用戶伺服器的問題。

　　本篇基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多執行緒技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網路實時聊天室。

學習到的知識有：多執行緒、執行緒池、Socket通訊、TCP協議、HashMap、JavaFX等，所有知識的結合運用，並通過實戰練習，一步步理解知識！

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Java實現socket通訊網路編程系列文章：

    1. UDP協議網路Socket編程(java實現C/S通訊案例) 
    2. Java：基於TCP協議網路socket編程(實現C/S通訊) 
    3. Java多執行緒實現TCP網路Socket編程(C/S通訊)
    4. Java多執行緒技術：實現多用戶服務端Socket通訊

 

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