最近看了Java的IO包源碼，對(duì)BIO有了較深入的理解。Socket編程其實(shí)也是基于IO流操作，并且其流操作都是阻塞的，就想著寫(xiě)一個(gè)Socket程序并對(duì)其一步一步優(yōu)化，來(lái)加深對(duì)IO的理解。本文主要從簡(jiǎn)單的Socket連接開(kāi)始，一步一步優(yōu)化，最后使用線程池等技術(shù)提高并發(fā)。Socket源碼本篇未涉及，等有時(shí)間我再研究一番。

一. 基本概念

Socket編程的基本流程如下圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)），一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)稱為一個(gè)套接字（socket）。

Socket

Socket編程是BIO的，對(duì)于服務(wù)端，accept()、read()、write()都會(huì)堵塞。

• accept是阻塞的，只有新連接來(lái)了，accept才會(huì)返回，主線程才能繼續(xù)
• read是阻塞的，只有請(qǐng)求消息來(lái)了，read才能返回，子線程才能繼續(xù)處理
• write是阻塞的，只有客戶端把消息收了，write才能返回，子線程才能繼續(xù)讀取下一個(gè)請(qǐng)求
  Socket開(kāi)發(fā)Java提供了兩個(gè)類，Socket用于BIO連接和信息收發(fā)，ServerSocket用于構(gòu)建一個(gè)服務(wù)端，其accept()方法獲得一個(gè)Socket對(duì)象，最終客戶端服務(wù)器都是使用Socket進(jìn)行通信。

二. 最基本的Socket

如下，最基本的客戶端發(fā)送消息，服務(wù)端接收消息輸入。需要注意的是，由于中文的utf8編碼是3個(gè)字節(jié)，如果使用buffer來(lái)分段接收字節(jié)流，可能導(dǎo)致亂碼。另外，read()是堵塞的，如果不判斷read() == -1來(lái)表示結(jié)束，那么read()方法會(huì)一直堵塞。

package me.zebin.demo.javaio;

import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.*;

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
public class JavaioApplicationTests {

    @Test
    public void server() throws Exception {

        // 指定端口
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
        System.out.println("server starting...");
        // 等待連接
        Socket s = ss.accept();

        // 獲取輸入流，接收客戶端的消息
        InputStream is = s.getInputStream();

        // 緩存buffer，utf8編碼中文是3個(gè)字節(jié)，這里也可是使用BufferedReader解碼
        byte[] buffer = new byte[5];
        while(true){
            int cnt = is.read(buffer);
            // 如果不判斷流結(jié)束，上面的read()讀不到數(shù)據(jù)會(huì)一直堵塞
            if(cnt == -1){
                break;
            }
            String str = new String(buffer, 0, cnt, "utf8");
            System.out.println(str);

        }
        s.close();
        ss.close();

    }

    @Test
    public void client() throws Exception{

        // 指定端口
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 9999);

        // 獲取輸出流，向服務(wù)端發(fā)消息
        OutputStream os = s.getOutputStream();

        // 發(fā)送消息，utf8編碼中文是3個(gè)字節(jié)，服務(wù)端使用buffer可能導(dǎo)致亂碼
        String str = "我是客戶端";
        os.write(str.getBytes("utf8"));
        s.close();
    }
}

以上程序，如果buffer設(shè)置為5，運(yùn)行結(jié)果如下，出現(xiàn)亂碼。

亂碼

當(dāng)然，解決方案可以整行讀取，將InputStream轉(zhuǎn)為Reader再轉(zhuǎn)BufferedReader即可讀取一行。也可使用Scanner來(lái)解決，服務(wù)端代碼改為如下：

    @Test
    public void server() throws Exception {

        // 指定端口
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
        System.out.println("server starting...");
        // 等待連接
        Socket s = ss.accept();

        // 獲取輸入流，接收客戶端的消息
        InputStream is = s.getInputStream();

        // 輸入字節(jié)流封裝為Scanner，讀取整行
        Scanner sc = new Scanner(is, "utf8");
        while (sc.hasNextLine()){
            System.out.println(sc.nextLine());
        }

        s.close();
        ss.close();

    }

運(yùn)行結(jié)果如下，沒(méi)有亂碼了。

Scanner

服務(wù)端判斷流關(guān)閉，一般使用兩種方法。

1. 使用特殊符號(hào)：既然上面可以獲取到行，服務(wù)端客戶端就可以約定相關(guān)的結(jié)束符，如接收到一個(gè)空行就結(jié)束，服務(wù)端進(jìn)行判斷關(guān)閉流即可。
2. 使用長(zhǎng)度界定：類似http協(xié)議就有content-length界定結(jié)束符，我們也可以在客戶端發(fā)送byte[]數(shù)組前，在byte[]數(shù)據(jù)前兩個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)消息長(zhǎng)度。當(dāng)然，兩個(gè)字節(jié)能表示的消息長(zhǎng)度就只有2^16-1，即大小是2^16字節(jié)，即64k大小。

三. 多線程版本

上面的版本有一個(gè)弊端，就是一個(gè)服務(wù)器只能提供給一個(gè)客戶端進(jìn)行連接，如果將連接的用線程處理，服務(wù)器可以處理更多的客戶端連接，代碼如下：

    @Test
    public void server() throws Exception {

        // 指定端口
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9998);
        System.out.println("server starting...");
        while(true){
            // 等待連接
            Socket s = ss.accept();
            System.out.println("獲得連接");
            Thread t = new Thread(new ServerThread(s));
            t.start();
        }
    }

    class ServerThread implements Runnable{

        private Socket s;

        ServerThread(Socket s){
            this.s = s;
        }

        @Override
        public void run(){
            // 獲取輸入流，接收客戶端的消息
            InputStream is = null;
            try {
                is = s.getInputStream();
                // 使用Scanner封裝
                Scanner sc = new Scanner(is, "utf8");
                while (sc.hasNextLine()){
                    System.out.println(sc.nextLine());
                }
                s.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

四. 線程池版本

以上多線程版本我們使用了多線程來(lái)處理并發(fā)，不過(guò)線程的創(chuàng)建和銷毀都會(huì)消耗大量的資源和時(shí)間，同時(shí)，高并發(fā)下會(huì)創(chuàng)建非常多的線程，且不說(shuō)操作系統(tǒng)能開(kāi)啟的線程數(shù)有限，操作系統(tǒng)維護(hù)和切換大量的線程也會(huì)非常耗時(shí)。所以使用線程池，只用4個(gè)線程，用隊(duì)列將未執(zhí)行到的線程排隊(duì)處理，減少了線程數(shù)量，同時(shí)也避免了創(chuàng)建和銷毀線程帶來(lái)的性能問(wèn)題。

    @Test
    public void server() throws Exception {

        // 指定端口
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9998);
        System.out.println("server starting...");

        // 創(chuàng)建線程隊(duì)列
        BlockingQueue bq = new ArrayBlockingQueue(100);
        // 拒絕策略
        RejectedExecutionHandler handler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();
        Executor executor = new ThreadPoolExecutor(4, 8, 1, TimeUnit.MINUTES, bq, handler);
        while(true){
            // 等待連接
            Socket s = ss.accept();
            System.out.println("獲得連接");
            Thread t = new Thread(new ServerThread(s));
            executor.execute(t);
        }
    }

以上，本篇結(jié)束。

參考資料

• 通俗地講，Netty 能做什么？ - 知乎用戶的回答 - 知乎
  https://www.zhihu.com/question/24322387/answer/282001188
• https://juejin.im/post/5ad9dd61518825671c0e1d71