JAVA中实现原生的 socket 通信机制原理

本文介绍了java中实现原生的 socket 通信机制原理，分享给大家，具体如下：

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/1.1\r\n" +
        "host: " + host + "\r\n" +
        "user-agent: curl/7.43.0\r\n" +
        "accept: */*\r\n\r\n";
  }
  
}

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);
}

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);

  }
}

结果输出：

 

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。

后续

• java 中是如何实现 io多路复用
• netty 下的实现异步请求的

github地址：https://github.com/jasongeng88/blog/tree/master/201708

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。