基于Java实现Socket编程入门

Java最初是作为网络编程语言出现的，使得客户端和服务器的沟通变成了现实，而在网络编程中，使用最多的就是Socket，本文就来介绍一下基于Java实现Socket编程入门，感兴趣的可以来了解一下

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); } } }