认识Socket

socket，又称套接字，是在不同的进程间进行网络通讯的一种协议、约定或者说是规范。

对于socket编程，它更多的时候像是基于TCP/UDP等协议做的一层封装或者说抽象，是一套系统所提供的用于进行网络通信相关编程的接口。

建立socket的基本流程

我们以linux操作系统提供的基本api为例，了解建立一个socket通信的基本流程：

可以看到本质上，socket是对tcp连接（当然也有可能是udp等其他连接）协议，在编程层面上的简化和抽象。

1.最基本的Socket示范

1.1 单向通信

首先，我们从只发送和接收一次消息的socket基础代码开始：

服务端:

package com.marklux.socket.base;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * The very basic socket server that only listen one single message.
 */

public class BaseSocketServer {

    private ServerSocket server;
    private Socket socket;
    private int port;
    private InputStream inputStream;
    private static final int MAX_BUFFER_SIZE = 1024;

    public int getPort() {
        return port;
    }

    public void setPort(int port) {
        this.port = port;
    }

    public BaseSocketServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void runServerSingle() throws IOException {
        this.server = new ServerSocket(this.port);

        System.out.println("base socket server started.");
        // the code will block here till the request come.
        this.socket = server.accept();

        this.inputStream = this.socket.getInputStream();

        byte[] readBytes = new byte[MAX_BUFFER_SIZE];

        int msgLen;
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();

        while ((msgLen = inputStream.read(readBytes)) != -1) {
            stringBuilder.append(new String(readBytes,0,msgLen,"UTF-8"));
        }

        System.out.println("get message from client: " + stringBuilder);

        inputStream.close();
        socket.close();
        server.close();
    }

    public static void main(String[] args) {
        BaseSocketServer bs = new BaseSocketServer(9799);
        try {
            bs.runServerSingle();
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

客户端:

package com.marklux.socket.base;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.Socket;

/**
 * The very basic socket client that only send one single message.
 */

public class BaseSocketClient {
    private String serverHost;
    private int serverPort;
    private Socket socket;
    private OutputStream outputStream;

    public BaseSocketClient(String host, int port) {
        this.serverHost = host;
        this.serverPort = port;
    }

    public void connetServer() throws IOException {
        this.socket = new Socket(this.serverHost, this.serverPort);
        this.outputStream = socket.getOutputStream();
        // why the output stream?
    }

    public void sendSingle(String message) throws IOException {
        try {
            this.outputStream.write(message.getBytes("UTF-8"));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        this.outputStream.close();
        this.socket.close();
    }

    public static void main(String[] args) {
        BaseSocketClient bc = new BaseSocketClient("127.0.0.1",9799);
        try {
            bc.connetServer();
            bc.sendSingle("Hi from mark.");
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

先运行服务端，再运行客户端，就可以看到效果。

注意这里的IO操作实现，我们使用了一个大小为MAX_BUFFER_SIZE的byte数组作为缓冲区，然后从输入流中取出字节放置到缓冲区，再从缓冲区中取出字节构建到字符串中去，这在输入流文件很大时非常有用，事实上，后面要讲到的NIO也是基于这种思路实现的。

1.2 双向通信

上面的例子只实现了一次单向的通信，这显然有点浪费通道。socket连接支持全双工的双向通信（底层是tcp），下面的例子中，服务端在收到客户端的消息后，将返回给客户端一个回执。

并且我们使用了一些java.io包装好的方法，来简化整个通信的流程（因为消息长度不大，不再使用缓冲区）。

服务端:

public void runServer() throws IOException {
        this.serverSocket = new ServerSocket(port);
        this.socket = serverSocket.accept();
        this.inputStream = socket.getInputStream();

        String message = new String(inputStream.readAllBytes(), "UTF-8");

        System.out.println("received message: " + message);

        this.socket.shutdownInput(); // 告诉客户端接收已经完毕，之后只能发送

        // write the receipt.

        this.outputStream = this.socket.getOutputStream();
        String receipt = "We received your message: " + message;
        outputStream.write(receipt.getBytes("UTF-8"));

        this.outputStream.close();
        this.socket.close();
    }

客户端:

public void sendMessage(String message) throws IOException {
        this.socket = new Socket(host,port);
        this.outputStream = socket.getOutputStream();
        this.outputStream.write(message.getBytes("UTF-8"));
        this.socket.shutdownOutput(); // 告诉服务器，所有的发送动作已经结束，之后只能接收
        this.inputStream = socket.getInputStream();
        String receipt = new String(inputStream.readAllBytes(), "UTF-8");
        System.out.println("got receipt: " + receipt);
        this.inputStream.close();
        this.socket.close();
    }

注意这里我们在服务端接受到消息以及客户端发送消息后，分别调用了shutdownInput()和shutdownOutput()而不是直接close对应的stream，这是因为在关闭任何一个stream，都会直接导致socket的关闭，也就无法进行后面回执的发送了。
但是注意，调用shutdownInput()和shutdownOutput()之后，对应的流也会被关闭，不能再次向socket发送/写入了。

2. 发送更多的消息：结束的界定

刚才的两个例子中，每次打开流，都只能进行一次写入/读取操作，结束后对应流被关闭，就无法再次写入/读取了。

在这种情况下，如果要发送两次消息，就不得不建立两个socket，既耗资源又麻烦。其实我们完全可以不关闭对应的流，只要分次写入消息就可以了。

但是这样的话，我们就必须面对另一个问题：如何判断一次消息发送的结束呢？

2.1 使用特殊符号

最简单的办法是使用一些特殊的符号来标记一次发送完成，服务端只要读到对应的符号就可以完成一次读取，然后进行相关的处理操作。

下面的例子中我们使用换行符\n来标记一次发送的结束，服务端每接收到一个消息，就打印一次，并且使用了Scanner来简化操作:

服务端:

public void runServer() throws IOException {
        this.server = new ServerSocket(this.port);

        System.out.println("base socket server started.");

        this.socket = server.accept();
        // the code will block here till the request come.

        this.inputStream = this.socket.getInputStream();
        Scanner sc = new Scanner(this.inputStream);
        while (sc.hasNextLine()) {
            System.out.println("get info from client: " + sc.nextLine());
        } // 循环接收并输出消息内容
        this.inputStream.close();
        socket.close();
    }

客户端:

public void connetServer() throws IOException {
        this.socket = new Socket(this.serverHost, this.serverPort);
        this.outputStream = socket.getOutputStream();
    }

public void send(String message) throws IOException {
        String sendMsg = message + "\n"; // we mark \n as a end of line.
        try {
            this.outputStream.write(sendMsg.getBytes("UTF-8"));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
//        this.outputStream.close();
//        this.socket.shutdownOutput();
    }

 public static void main(String[] args) {
        CycleSocketClient cc = new CycleSocketClient("127.0.0.1", 9799);
        try {
            cc.connetServer();
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            while (sc.hasNext()) {
                String line = sc.nextLine();
                cc.send(line);
            }
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行后效果是，客户端每输入一行文字按下回车后，服务端就会打印出对应的消息读取记录。

2.2 根据长度界定

回到原点，我们之所以不好定位消息什么时候结束，是因为我们不能够确定每次消息的长度。

那么其实可以先将消息的长度发送出去，当服务端知道消息的长度后，就能够完成一次消息的接收了。

总的来说，发送一次消息变成了两个步骤

发送消息的长度
发送消息

最后的问题就是，“发送消息的长度”这一步骤所发送的字节量必须是固定的，否则我们仍然会陷入僵局。

一般来说，我们可以使用固定的字节数来保存消息的长度，比如规定前2个字节就是消息的长度，不过这样我们能够传送的消息最大长度也就被固定死了，以2个字节为例，我们发送的消息最大长度不超过2^16个字节即64K。

如果你了解一些字符的编码，就会知道，其实我们可以使用变长的空间来储存消息的长度，比如：

第一个字节首位为0：即0XXXXXXX，表示长度就一个字节，最大128，表示128B
第一个字节首位为110，那么附带后面一个字节表示长度：即110XXXXX 10XXXXXX，最大2048，表示2K
第一个字节首位为1110，那么附带后面二个字节表示长度：即110XXXXX 10XXXXXX 10XXXXXX，最大131072，表示128K
依次类推

当然这样实现起来会麻烦一些，因此下面的例子里我们仍然使用固定的两个字节来记录消息的长度。

服务端:

public void runServer() throws IOException {
        this.serverSocket = new ServerSocket(this.port);
        this.socket = serverSocket.accept();
        this.inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] bytes;
        while (true) {
            // 先读第一个字节
            int first = inputStream.read();
            if (first == -1) {
                // 如果是-1，说明输入流已经被关闭了，也就不需要继续监听了
                this.socket.close();
                break;
            }
            // 读取第二个字节
            int second = inputStream.read();

            int length = (first << 8) + second; // 用位运算将两个字节拼起来成为真正的长度

            bytes = new byte[length]; // 构建指定长度的字节大小来储存消息即可

            inputStream.read(bytes);

            System.out.println("receive message: " + new String(bytes,"UTF-8"));
        }
    }

客户端:

public void connetServer() throws IOException {
        this.socket = new Socket(host,port);
        this.outputStream = socket.getOutputStream();
    }

public void sendMessage(String message) throws IOException {
        // 首先要把message转换成bytes以便处理
        byte[] bytes = message.getBytes("UTF-8");
        // 接下来传输两个字节的长度，依然使用移位实现
        int length = bytes.length;
        this.outputStream.write(length >> 8); // write默认一次只传输一个字节
        this.outputStream.write(length);
        // 传输完长度后，再正式传送消息
        this.outputStream.write(bytes);
    }

public static void main(String[] args) {
        LengthSocketClient lc = new LengthSocketClient("127.0.0.1",9799);
        try {
            lc.connetServer();
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            while (sc.hasNextLine()) {
                lc.sendMessage(sc.nextLine());
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

3. 处理更多的连接：多线程

3.1 同时实现消息的发送与接收

在考虑服务端处理多连接之前，我们先考虑使用多线程改造一下原有的一对一对话实例。

在原有的例子中，消息的接收方并不能主动地向对方发送消息，换句话说我们并没有实现真正的互相对话，这主要是因为消息的发送和接收这两个动作并不能同时进行，因此我们需要使用两个线程，其中一个用于监听键盘输入并将其写入socket，另一个则负责监听socket并将接受到的消息显示。

出于简单考虑，我们直接让主线程负责键盘监听和消息发送，同时另外开启一个线程用于拉取消息并显示。

消息拉取线程 ListenThread.java

public class ListenThread implements Runnable {
    private Socket socket;
    private InputStream inputStream;

    public ListenThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() throws RuntimeException{
        try {
            this.inputStream = socket.getInputStream();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new RuntimeException(e.getMessage());
        }

        while (true) {
            try {
                int first = this.inputStream.read();
                if (first == -1) {
                    // 输入流已经被关闭，无需继续读取
                    throw new RuntimeException("disconnected.");
                }
                int second = this.inputStream.read();
                int msgLength = (first<<8) + second;
                byte[] readBuffer = new byte[msgLength];
                this.inputStream.read(readBuffer);

                System.out.println("message from [" + socket.getInetAddress() + "]: " + new String(readBuffer,"UTF-8"));
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                throw new RuntimeException(e.getMessage());
            }
        }
    }
}

主线程，启动时由用户选择是作为server还是client：

public class ChatSocket {
    private String host;
    private int port;
    private Socket socket;
    private ServerSocket serverSocket;
    private OutputStream outputStream;

    // 以服务端形式启动，创建会话
    public void runAsServer(int port) throws IOException {
        this.serverSocket = new ServerSocket(port);
        System.out.println("[log] server started at port " + port);
        // 等待客户端的加入
        this.socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("[log] successful connected with " + socket.getInetAddress());
        // 启动监听线程
        Thread listenThread = new Thread(new ListenThread(this.socket));
        listenThread.start();
        waitAndSend();
    }

    // 以客户端形式启动，加入会话
    public void runAsClient(String host, int port) throws IOException {
        this.socket = new Socket(host, port);
        System.out.println("[log] successful connected to server " + socket.getInetAddress());
        Thread listenThread = new Thread(new ListenThread(this.socket));
        listenThread.start();
        waitAndSend();
    }

    public void waitAndSend() throws IOException {
        this.outputStream = this.socket.getOutputStream();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (sc.hasNextLine()) {
            this.sendMessage(sc.nextLine());
        }
    }

    public void sendMessage(String message) throws IOException {
        byte[] msgBytes = message.getBytes("UTF-8");
        int length = msgBytes.length;
        outputStream.write(length>>8);
        outputStream.write(length);
        outputStream.write(msgBytes);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        ChatSocket chatSocket = new ChatSocket();
        System.out.println("select connect type: 1 for server and 2 for client");
        int type = Integer.parseInt(scanner.nextLine().toString());
        if (type == 1) {
            System.out.print("input server port: ");
            int port = scanner.nextInt();
            try {
                chatSocket.runAsServer(port);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else if (type == 2) {
            System.out.print("input server host: ");
            String host = scanner.nextLine();
            System.out.print("input server port: ");
            int port = scanner.nextInt();
            try {
                chatSocket.runAsClient(host, port);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3.2 使用线程池优化服务端并发能力

作为服务端，如果一次只跟一个客户端建立socket连接，未免显得太过浪费资源，因此我们完全可以让服务端和多个客户端建立多个socket。

那么既然要处理多个连接，就不得不面对并发问题了（当然，你也可以写循环轮流处理）。我们可以使用多线程来处理并发，不过线程的创建和销毁都会消耗大量的资源和时间，所以最好一步到位，用一个线程池来实现。

下面给出一个示范性质的服务端代码：

public class SocketServer {
  public static void main(String args[]) throws Exception {
    // 监听指定的端口
    int port = 55533;
    ServerSocket server = new ServerSocket(port);
    // server将一直等待连接的到来
    System.out.println("server将一直等待连接的到来");

    //如果使用多线程，那就需要线程池，防止并发过高时创建过多线程耗尽资源
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
    
    while (true) {
      Socket socket = server.accept();
      
      Runnable runnable=()->{
        try {
          // 建立好连接后，从socket中获取输入流，并建立缓冲区进行读取
          InputStream inputStream = socket.getInputStream();
          byte[] bytes = new byte[1024];
          int len;
          StringBuilder sb = new StringBuilder();
          while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) {
            // 注意指定编码格式，发送方和接收方一定要统一，建议使用UTF-8
            sb.append(new String(bytes, 0, len, "UTF-8"));
          }
          System.out.println("get message from client: " + sb);
          inputStream.close();
          socket.close();
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
      };
      threadPool.submit(runnable);
    }

  }
}

4. 连接保活

我想你不难发现一个问题，那就是当socket连接成功建立后，如果中途发生异常导致其中一方断开连接，此时另一方是无法发现的，只有在再次尝试发送/接收消息才会因为抛出异常而退出。

简单的说，就是我们维持的socket连接，是一个长连接，但我们没有保证它的时效性，上一秒它可能还是可以用的，但是下一秒就不一定了。

4.1 使用心跳包

保证连接随时可用的最常见方法就是定时发送心跳包，来检测连接是否正常。这对于实时性要求很高的服务而言，还是非常重要的（比如消息推送）。

大体的方案如下：

双方约定好心跳包的格式，要能够区别于普通的消息。
客户端每隔一定时间，就向服务端发送一个心跳包
服务端每接收到心跳包时，将其抛弃
如果客户端的某个心跳包发送失败，就可以判断连接已经断开
如果对实时性要求很高，服务端也可以定时检查客户端发送心跳包的频率，如果超过一定时间没有发送可以认为连接已经断开

4.2 断开时重连

使用心跳包必然会增加带宽和性能的负担，对于普通的应用我们其实并没有必要使用这种方案，如果消息发送时抛出了连接异常，直接尝试重新连接就好了。

跟上面的方案对比，其实这个抛出异常的消息就充当了心跳包的角色。

总的来说，连接是否要保活，如何保活，需要根据具体的业务场景灵活地思考和定制。