IT小白

这个屌丝很懒，什么也没留下！

热门标签

Socket详解_socket的基本概念和原理

作者：IT小白 | 2024-05-25 16:59:43

踩

socket的基本概念和原理

1. 什么是Socket？

套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

2. Socket通信基本原理

Socket 通信是基于TCP/IP 网络层上的一种传送方式，我们通常把TCP和UDP称为传输层。

如上图，在七个层级关系中，我们将的socket属于传输层，其中UDP是一种面向无连接的传输层协议。UDP不关心对端是否真正收到了传送过去的数据。如果需要检查对端是否收到分组数据包，或者对端是否连接到网络，则需要在应用程序中实现。UDP常用在分组数据较少或多播、广播通信以及视频通信等多媒体领域。在这里我们不进行详细讨论，这里主要讲解的是基于TCP/IP协议下的socket通信。

所谓套接字，实际上是一个通信端点，每个套接字都有一个套接字序号，包括主机的IP地址与一个16位的主机端口号，即形如（主机IP地址：端口号）。例如，如果IP地址是210.37.145.1，而端口号是23，那么得到套接字就是（210.37.145.1：23）。

套接字可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的一个端点。通信时，其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中，该Socket通过网络接口卡的传输介质将这段信息发送给另一台主机的Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。因此，两个应用程序之间的数据传输要通过套接字来完成。

在网络应用程序设计时，由于TCP/IP的核心内容被封装在操作系统中，如果应用程序要使用TCP/IP，可以通过系统提供的TCP/IP的编程接口来实现。在Java环境下，网络应用程序编程接口称作Java Socket。为了支持用户开发面向应用的通信程序，大部分系统都提供了一组基于TCP或者UDP的应用程序编程接口（API），该接口通常以一组函数的形式出现，也称为套接字

Socket 调用流程：

3. Socket 整体结构


public class Socket implements java.io.Closeable {
    /**
     * Various states of this socket.
     */
    // 套接字状态
    // 套接字的状态变更都是有对应操作方法的，比如套接字新建（createImpl 方法）后，状态就会更改成 created = true，连接（connect）之后，状态更改成 connected = true 等等。
    private boolean created = false;        // 已创建
    private boolean bound = false;          // 已绑定
    private boolean connected = false;      // 已连接
    private boolean closed = false;         // 已关闭
    private Object closeLock = new Object();// 关闭锁
    private boolean shutIn = false;         // 读是否关闭
    private boolean shutOut = false;        // 写是否关闭
 
    /**
     * The implementation of this Socket.
     */
    // 套接字实现
    // 包含套接字create，connect，bind，listen，accept，getInputStream
    // getOutputStream，close，shutdownInput，shutdownOutput等方法
    SocketImpl impl;
 
    
}

3.1 套接字构造器：

Socket 的构造器比较多，可以分成两大类：

1. 指定代理类型（Proxy）创建套节点，一共有三种类型为：DIRECT（直连）、HTTP（HTTP、FTP 高级协议的代理）、SOCKS（SOCKS 代理），三种不同的代码方式对应的 SocketImpl 不同，分别是：PlainSocketImpl、HttpConnectSocketImpl、SocksSocketImpl，除了类型之外 Proxy 还指定了地址和端口；


public Socket(Proxy proxy) {
        // Create a copy of Proxy as a security measure
        if (proxy == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid Proxy");
        }
        Proxy p = proxy == Proxy.NO_PROXY ? Proxy.NO_PROXY
                                          : sun.net.ApplicationProxy.create(proxy);
        Proxy.Type type = p.type();
        if (type == Proxy.Type.SOCKS || type == Proxy.Type.HTTP) {
            SecurityManager security = System.getSecurityManager();
            InetSocketAddress epoint = (InetSocketAddress) p.address();
            if (epoint.getAddress() != null) {
                checkAddress (epoint.getAddress(), "Socket");
            }
            if (security != null) {
                if (epoint.isUnresolved())
                    epoint = new InetSocketAddress(epoint.getHostName(), epoint.getPort());
                if (epoint.isUnresolved())
                    security.checkConnect(epoint.getHostName(), epoint.getPort());
                else
                    security.checkConnect(epoint.getAddress().getHostAddress(),
                                  epoint.getPort());
            }
            // 对应的实现为：PlainSocketImpl、HttpConnectSocketImpl、SocksSocketImpl
            impl = type == Proxy.Type.SOCKS ? new SocksSocketImpl(p)
                                            : new HttpConnectSocketImpl(p);
            impl.setSocket(this);
        } else {
            if (p == Proxy.NO_PROXY) {
                if (factory == null) {
                    impl = new PlainSocketImpl(false);
                    impl.setSocket(this);
                } else
                    setImpl();
            } else
                throw new IllegalArgumentException("Invalid Proxy");
        }
    }
 
 
public enum Type {
        /**
         * Represents a direct connection, or the absence of a proxy.
         */
        DIRECT,
        /**
         * Represents proxy for high level protocols such as HTTP or FTP.
         */
        HTTP,
        /**
         * Represents a SOCKS (V4 or V5) proxy.
         */
        SOCKS
    };

2. 默认 SocksSocketImpl 创建，并且需要在构造器中传入地址和端口，源码如下：


// address 代表IP地址，port 表示套接字的端口
// 这里的 address 可以是 ip 地址或者域名，比如说 127.0.0.1 或者 www.wenhe.com。
// address 我们一般使用 InetSocketAddress，InetSocketAddress 有 ip+port、域名+port、InetAddress 等初始化方式
public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException {
        this(address != null ? new InetSocketAddress(address, port) : null,
             (SocketAddress) null, true);
    }
 
// stream 为 true 时，表示为stream socket 流套接字，使用 TCP 协议，比较稳定可靠，但占用资源多
// stream 为 false 时，表示为datagram socket 数据报套接字，使用 UDP 协议，不稳定，但占用资源少
 private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr,
                   boolean stream) throws IOException {
        setImpl();
        // backward compatibility
        if (address == null)
            throw new NullPointerException();
        try {
            // 创建socket
            createImpl(stream);
            if (localAddr != null)
                // 如果 ip 地址不为空，绑定地址
                // create、bind、connect 也是 native 方法
                bind(localAddr);
            connect(address);
        } catch (IOException | IllegalArgumentException | SecurityException e) {
            try {
                close();
            } catch (IOException ce) {
                e.addSuppressed(ce);
            }
            throw e;
        }
    }

从源码中可以看出：

1. 在构造 Socket 的时候，你可以选择 TCP 或 UDP，默认是 TCP；

2. 如果构造 Socket 时，传入地址和端口，那么在构造的时候，就会尝试在此地址和端口上创建套接字；

3. Socket 的无参构造器只会初始化 SocksSocketImpl，并不会和当前地址端口绑定，需要我们手动的调用 connect 方法，才能使用当前地址和端口；

4.Socket 我们可以理解成网络沟通的语言层次的抽象，底层网络创建、连接和关闭，仍然是 TCP 或 UDP 本身网络协议指定的标准，Socket 只是使用 Java 语言做了一层封装，从而让我们更方便地使用。

3.2 Socket API

java.net.Socket继承于java.lang.Object，其方法并不多，下面介绍使用最频繁的三个方法：

1. Accept方法用于产生"阻塞"，直到接受到一个连接，并且返回一个客户端的Socket对象实例。"阻塞"是一个术语，它使程序运行暂时"停留"在这个地方，直到一个会话产生，然后程序继续。

2. getInputStream方法获得网络连接输入，同时返回一个InputStream对象实例。

3. getOutputStream方法获得网络连接输出，同时返回一个OutputStream对象实例。

注意：其中getInputStream和getOutputStream方法均会产生一个IOException，它必须被捕获，因为它们返回的流对象，通常都会被另一个流对象使用。

4. Socket编程

4.1 服务器端

创建ServerSocket对象，绑定监听端口。
通过accept（）方法监听客户端请求。
连接建立后，通过输入流读取客户端发送的请求信息。
通过输出流向客户端发送响应信息。
关闭响应的资源。

4.2 客户端

创建Socket对象，指明需要连接的服务器的地址和端口号。
连接建立后，通过输出流向服务器发送请求信息。
通过输入流获取服务器响应的信息。
关闭相应资源。

4.3 多线程实现服务器与多客户端之间通信步骤

服务器端创建ServerSocket，循环调用accept()等待客户端连接。
客户端创建一个socket并请求和服务器端连接。
服务器端接受客户端请求，创建socket与该客户建立专线连接。
建立连接的两个socket在一个单独的线程上对话。
服务器端继续等待新的连接。

4.4 Socket通信基础模式

服务端：服务端监听一个端口，等待连接的到来。


import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
 
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");
    Socket socket = server.accept();
    // 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();
    server.close();
  }
}

客户端：


import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
 
public class SocketClient {
  public static void main(String args[]) throws Exception {
    // 要连接的服务端IP地址和端口
    String host = "127.0.0.1"; 
    int port = 55533;
    // 与服务端建立连接
    Socket socket = new Socket(host, port);
    // 建立连接后获得输出流
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    String message="你好  socket";
    outputStream.write(message.getBytes("UTF-8"));
    outputStream.close();
    socket.close();
  }
}

客户端通过ip和端口，连接到指定的server，然后通过Socket获得输出流，并向其输出内容，服务器会获得消息。最终服务端控制台打印如下：


server将一直等待连接的到来
get message from client: 你好  socket

4.5 双向通信

服务端：


import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
 
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");
    Socket socket = server.accept();
    // 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();
    // 只有当客户端关闭它的输出流的时候，服务端才能取得结尾的-1
    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);
    
    // 获取输出流向客户端发送消息
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    outputStream.write("Hello Client,I get the message.".getBytes("UTF-8"));
 
    inputStream.close();
    outputStream.close();
    socket.close();
    server.close();
  }
}

客户端：


import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
 
public class SocketClient {
  public static void main(String args[]) throws Exception {
    // 要连接的服务端IP地址和端口
    String host = "127.0.0.1";
    int port = 55533;
    // 与服务端建立连接
    Socket socket = new Socket(host, port);
    // 建立连接后获得输出流
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    String message = "你好  socket";
    socket.getOutputStream().write(message.getBytes("UTF-8"));
    // 通过shutdownOutput高速服务器已经发送完数据，后续只能接受数据
    socket.shutdownOutput();
    
    // 通过输入流接受服务器的消息
    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 server: " + sb);
    
    inputStream.close();
    outputStream.close();
    socket.close();
  }
}

4.6 如何告知对方已发送完消息

正常来说，客户端打开一个输出流，如果不做约定，也不关闭它，那么服务端永远不知道客户端是否发送完消息，那么服务端会一直等待下去，直到读取超时。所以怎么告知服务端已经发送完消息就显得特别重要。

1. 通过Socket关闭

调用方法：socket.close();

当Socket关闭的时候，服务端就会收到相应的关闭信号，那么服务端也就知道流已经关闭了，这个时候读取操作完成，就可以继续后续工作。但是这种方式有一些缺点：

①客户端Socket关闭后，将不能接受服务端发送的消息，也不能再次发送消息

②如果客户端想再次发送消息，需要重现创建Socket连接

2. 通过Socket关闭输出流的方式

调用方法：socket.shutdownOutput();

调用Socket的shutdownOutput()方法，底层会告知服务端我这边已经写完了，那么服务端收到消息后，就能知道已经读取完消息，如果服务端有要返回给客户的消息那么就可以通过服务端的输出流发送给客户端。

这种方式通过关闭客户端的输出流，告知服务端已经写完了，虽然可以读到服务端发送的消息，但是还是有一点点缺点：

①不能再次发送消息给服务端，如果再次发送，需要重新建立Socket连接。

3. 通过约定符号

这种方式的用法，就是双方约定一个字符或者一个短语，来当做消息发送完成的标识，通常这么做就需要改造读取方法。

假如约定单端的一行为end，代表发送完成，例如下面的消息，end则代表消息发送完成，那么服务端响应的读取操作需要进行如下改造：


Socket socket = server.accept();
// 建立好连接后，从socket中获取输入流，并建立缓冲区进行读取
BufferedReader read=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(),"UTF-8"));
String line;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while ((line = read.readLine()) != null && "end".equals(line)) {
  // 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(line);
}

这么做的优缺点如下：

优点：不需要关闭流，当发送完一条命令（消息）后可以再次发送新的命令（消息）

缺点：需要额外的约定结束标志，太简单的容易出现在要发送的消息中，误被结束，太复杂的不好处理，还占带宽。

4. 通过指定长度

如果你了解一点class文件的结构，那么你就会佩服这个设计方式，也就是说我们可以在此找灵感，就是我们可以先指定消息的长度，然后读取指定长度的消息做为客户端发送的消息。

现在首要的问题就是用几个字节指定长度呢，我们可以算一算：

1个字节(byte) = 8bit：最大 2的8次方 = 256，表示256B
2个字节：最大65536，表示64K
3个字节：最大16777216，表示16M
4个字节：最大4294967296，表示4G
依次类推。。。。

这个时候是不是很纠结，最大的当然是最保险的，但是真的有必要选择最大的吗，其实如果你稍微了解一点UTF-8的编码方式，那么你就应该能想到为什么一定要固定表示长度字节的长度呢，我们可以使用变长方式来表示长度的表示。

下面的例子我们将采用2个字节表示长度，目的只是给你一种思路，让你知道有这种方式来获取消息的结尾。

服务端：


import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
 
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");
    Socket socket = server.accept();
    // 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;
    // 因为可以复用Socket且能判断长度，所以可以一个Socket用到底
    while (true) {
      // 首先读取两个字节表示的长度
      int first = inputStream.read();
      // 如果读取的值为-1 说明到了流的末尾，Socket已经被关闭了，此时将不能再去读取
      if(first==-1){
        break;
      }
      int second = inputStream.read();
      // 左移8位，就是在二进制后面加8个0，获取消息长度
      int length = (first << 8) + second;
      // 然后构造一个指定长的byte数组
      bytes = new byte[length];
      // 然后读取指定长度的消息即可
      inputStream.read(bytes);
      System.out.println("get message from client: " + new String(bytes, "UTF-8"));
    }
    inputStream.close();
    socket.close();
    server.close();
  }
}

客户端：


import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
 
public class SocketClient {
  public static void main(String args[]) throws Exception {
    // 要连接的服务端IP地址和端口
    String host = "127.0.0.1";
    int port = 55533;
    // 与服务端建立连接
    Socket socket = new Socket(host, port);
    // 建立连接后获得输出流
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    String message = "你好  socket";
    // 首先需要计算得知消息的长度
    byte[] sendBytes = message.getBytes("UTF-8");
    // 首先将消息的长度优先发送出去
    // 右移8位，就是把后面8位去掉，在前面补充8个0
    // 不觉明厉
    outputStream.write(sendBytes.length >>8);
    outputStream.write(sendBytes.length);
    // 然后将消息再次发送出去
    outputStream.write(sendBytes);
    outputStream.flush();
    //==========此处重复发送一次，实际项目中为多个命名，此处只为展示用法
    message = "第二条消息";
    sendBytes = message.getBytes("UTF-8");
    outputStream.write(sendBytes.length >>8);
    outputStream.write(sendBytes.length);
    outputStream.write(sendBytes);
    outputStream.flush();
    //==========此处重复发送一次，实际项目中为多个命名，此处只为展示用法
    message = "the third message!";
    sendBytes = message.getBytes("UTF-8");
    outputStream.write(sendBytes.length >>8);
    outputStream.write(sendBytes.length);
    outputStream.write(sendBytes);    
    
    outputStream.close();
    socket.close();
  }
}

当然如果是需要服务器返回结果，那么也依然使用这种方式，服务端也是先发送结果的长度，然后客户端进行读取。当然现在流行的就是，长度+类型+数据模式的传输方式。

4.7 服务端优化

在上面的例子中，服务端仅仅只是接受了一个Socket请求，并处理了它，然后就结束了，但是在实际开发中，一个Socket服务往往需要服务大量的Socket请求，那么就不能再服务完一个Socket的时候就关闭了，这时候可以采用循环接受请求并处理的逻辑：


import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
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);
    }
  }
}

ServerSocket有以下3个属性：

SO_TIMEOUT：表示等待客户连接的超时时间。一般不设置，会持续等待。
SO_REUSEADDR：表示是否允许重用服务器所绑定的地址。一般不设置。
SO_RCVBUF：表示接收数据的缓冲区的大小。一般不设置，用系统默认就可以了。

对于同一个socket，如果关闭了输出流比如（pw.close()），则与该输出流关联的socket也会关闭，所以一般不需要关闭输出流，当关闭socket的时候，输出流也会关闭，直接关闭socket就行。

4.8 长连接与短连接

长连接与短连接的概念：前者是整个通讯过程，客户端和服务端只用一个Socket对象，长期保持Socket的连接；后者是每次请求，都新建一个Socket,处理完一个请求就直接关闭掉Socket。所以，其实区分长短连接就是：整个客户和服务端的通讯过程是利用一个Socket还是多个Socket进行的。

长连接：

长连接多用于操作频繁，点对点的通讯，而且连接数不能太多情况。每个TCP连接都需要三步握手，这需要时间，如果每个操作都是短连接，再操作的话那么处理速度会降低很多，所以每个操作完后都不断开，下次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接，如果用短连接频繁的通信会造成socket错误，而且频繁的socket 创建也是对资源的浪费。

短链接：

而像WEB网站的http服务一般都用短链接，因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源，而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接会更省一些资源，如果用长连接，而且同时有成千上万的用户，如果每个用户都占用一个连接的话，那可想而知吧。所以并发量大，但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好。

长连接原理：

实际应用中，长连接他并不是真正意义上的长连接，（他不像我们打电话一样，电话通了之后一直不挂的这种连接）。他们是通过一种称之为心跳包或者叫做链路检测包，去定时检查socket 是否关闭，输入/输出流是否关闭。

首先我们socket是针对应用层与TCP/IP数据传输协议封装的一套方案，那么他的底层也是通过Tcp/IP或则UDP通信的，所以说socket本身并不是一直通信协议，而是一套接口的封装。而TCP/IP协议组里面的应用层包括FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议，我们知道，http1.0是短连接，http1.1是长连接，我们在打开http通信协议里面在Response headers中可以看到这么一句Connection:keep-alive。他是干什么的，他就是表示长连接，但是他并不是一直保持的连接，他有一个时间段，如果我们想一直保持这个连接怎么办？那就是在一个时间内让客户端和服务端进行一个请求，请求可以是服务端发起，也可以是客户端发起，通常我们是在客户端不定时的发送一个字节数据给服务端，这个就是我们称之为心跳包，想想心跳是怎么跳动的，是不是为了检测人活着，心会定时的跳动，就是这个原理。

参考：(118条消息) Java 网络编程之Socket详解_sunnyday0426的博客-CSDN博客

声明：本文内容由网友自发贡献，不代表【wpsshop博客】立场，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容，请联系我们。转载请注明出处：https://www.wpsshop.cn/w/IT小白/article/detail/622934