【网络】TCP回显服务器和客户端的构造，以及相关bug解决方法

不像 UDP 有 DatagramPacket 是专门的“UDP 数据报”，TCP 没有专门的“TCP 数据报”

• 因为 TCP 是面向字节流的，TCP 传输数据的基本单位就是 byte
• UDP 是面向数据报，UDP 这里需要定义专门的类，表示 UDP 数据报，作为 UDP 传输的基本单位
• TCP 这里在进行读数据或者写数据的时候，都是以字节或字节数组作为参数进行操作的

ServerSocket

专门给服务器使用的 socket 对象

构造方法

	方法签名	方法说明
	ServerSocket(int port) 创建⼀个服务端流套接字 Socket，并绑定到指定端⼝	创建⼀个服务端流套接字 Socket，并绑定到指定端⼝

方法

	方法签名	方法说明
	Socket accept()	开始监听指定端⼝（创建时绑定的端⼝），有客⼾端连接后，返回⼀个服务端 Socket 对象，并基于该 Socket 建⽴与客⼾端的连接，否则阻塞等待
	void close()	关闭此套接字

• TCP 是有连接的，有连接就需要有一个“建立连接”的过程
  • 建立连接的过程就类似于打电话
  • 此处的 accept 就相当于接电话
  • 由于客户端是“主动发起”的一方，服务器是“被动接受”的一方，一定是客户端打电话，服务器接电话

Socket

既会给客户端使用，又会给服务器使用

构造方法

	方法签名	方法说明
	Socket(String host, int port)	创建⼀个客⼾端流套接字 Socket，并与对应 IP 的主机上，对应端⼝的进程建⽴连接

• 构造这个对象，就是和服务器“打电话”，建立连接

方法

	方法签名	方法说明
	InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
	InputStream getInputStream()	返回此套接字的输⼊流
	OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

InputStream 和 OutputStream 称为“字节流”

• 前面针对文件操作的方法，针对此处的 TCP Socket 来说，也是完全适用的

回显服务器（Echo Server）

1. 构造方法

• 创建一个 Server Socket 对象，起到“遥控网卡”的作用

import java.io.IOException;  
import java.net.ServerSocket;  public class TcpEchoServer {  private ServerSocket serverSocket= null;  public TcpEchoServer(int port) throws IOException {  serverSocket = new ServerSocket(port);  }
}

• 对于服务器这一端来说，需要在 socket 对象创建的时候，就指定一个端口号 port，作为构造方法的参数
• 后续服务器开始运行之后，操作系统就会把端口号和该进程关联起来
• 端口号的作用就是来区分进程的，一台主机上可能有很多个进程很多个程序，都要去操作网络。当我们收到数据的时候，哪个进程来处理，就需要通过端口号去区分
  • 所以就需要在程序一启动的时候，就把这个程序关联哪个端口指明清楚

---

• 在调用这个构造方法的过程中，JVM 就会调用系统的 Socket API，完成“端口号-进程”之间的关联动作
  • 这样的操作也叫“绑定端口号”（系统原生 API 名字就叫 bind）
  • 绑定好了端口号之后，就明确了端口号和进程之间的关联关系

---

• 对于一个系统来说，同一时刻，一个端口号只能被一个进程绑定；但是一个进程可以绑定多个端口号（通过创建多个 Socket 对象来完成）
  • 因为端口号是用来区分进程，收到数据之后，明确说这个数据要给谁，如果一个端口号对应到多个进程，那么就难以起到区分的效果
  • 如果有多个进程，尝试绑定一个端口号，只有一个能绑定成功，后来的都会绑定失败

2. 建立连接

public void start() throws IOException {  while(true) {  //建立连接  Socket clientSocket = serverSocket.accept();  processConnection(clientSocket);  }
}

• TCP 建立连接的流程，是操作系统内核完成的，我们的代码感知不到
  • accept 操作，是内核已经完成了连接建立的操作，然后才能够进行“接通电话”
  • accept 相当于是针对内核中已经建立好的连接进行“确认”动作
• 由于 accept 的返回对象是 Socket，所以还需要创建一个 clientSocket 来接收返回值
  • clientSocket 和 serverSocket 这两个都是 Socket，都是“网卡的遥控器”，都是用来操作网卡的。但是在 TCP 中，使用两个不同的 Socket 进行表示，他们的分工是不同的，作用是不同的
    • serverSocket 就相当于是卖房子的销售，负责在外面揽客
    • clientSocket 相当于是售楼部里面的置业顾问，提供“一对一服务”

processConnection 方法的创建

针对一个连接，提供处理逻辑

• 先打印客户端信息
• 然后创建一个 InputStream 对象用来读取数据，创建一个 OutputStream 对象
• 随后，在 while 死循环中完成客户端针对请求的响应处理

private void processConnection(Socket clientSocket) {  //打印客户端信息  System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  while(true) {  // 1. 读取请求并解析  // 2. 根据请求计算响应  // 3. 把响应写回给客户端  }  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
}

• 因为 TCP 是全双工的通信，所以一个 Socket 对象，既可以读，也可以写
• 因此就可以通过 clientSocket 对象拿出里面的 InputStream 和 OutputStream，我们就既能读，也能写了

1. 读取请求并解析

通过 inputStream.read() 读取请求，但如果直接这样读就不方便，读到的还是二进制数据

• 我们可以先使用 Scanner 包装一下 InputStream，这样就可以更方便地读取这里的请求数据了

//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  //打印客户端信息  System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);//使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  while(true) {  // 1. 读取请求并解析    if(!scanner.hasNext()){  //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 “末尾”  break;  }          // 2. 根据请求计算响应  // 3. 把响应写回给客户端  }  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
}

• 当 scanner 无法读取出数据时（scanner 没有下一个数据了），说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读到了末尾，就进行 break
  • 在这个判断的外面（try/catch 外面）加上日志，当数据读完后 break 了，就打印日志

2. 根据请求计算响应

由于是回显服务器，所以请求就是响应，process 就是直接 return request

//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  //打印客户端信息  System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  Scanner scanner = new Scanner(inputStream); //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  while(true) {  // 1. 读取请求并解析   if(!scanner.hasNext()){  //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 “末尾”  break;  }          // 2. 根据请求计算响应  String response = process(request);// 3. 把响应写回给客户端  }  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  private String process(String request) {  return request;  }
}

• 这里的请求就是读取的 InputStream 里面的数据

3. 把响应写回给客户端

//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  //打印客户端信息  System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  PrintWrite printWriter = new PrintWriter(outputStream);while(true) {  // 1. 读取请求并解析  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  if(!scanner.hasNext()){  //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 “末尾”  break;  }          // 2. 根据请求计算响应  String response = process(request);// 3. 把响应写回给客户端  printWriter.println(response);}  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  private String process(String request) {  return request;  }
}

• 此处写入响应的时候，会在末尾加上“\n”
  • 我们在刚才在使用 scanner 读取请求的时候，隐藏了一个条件——请求是以“空白符”（空格、回车、制表符、垂直制表符、翻页符…）结尾，否则就会在 next() 或者 hasNext() 那里发生阻塞，这样就没法读取到数据了
  • 因此此处约定，使用“\n”作为请求和响应的结尾标志
• TCP 是字节流的，读写方式存在无数种可能，就需要有办法区分出，从哪里到哪里是一个完整的请求
  • 此处就可以引入分隔符来区分

3. 完整代码

import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  
import java.io.OutputStream;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.ServerSocket;  
import java.net.Socket;  
import java.util.Scanner;  public class TcpEchoServer {  private ServerSocket serverSocket= null;  public TcpEchoServer(int port) throws IOException {  serverSocket = new ServerSocket(port);  }  public void start() throws IOException {  while(true) {  //建立连接  Socket clientSocket = serverSocket.accept();  processConnection(clientSocket);  }    }  //针对一个连接，提供处理逻辑  private void processConnection(Socket clientSocket) {  //打印客户端信息  System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  while(true) {  // 1. 读取请求并解析  if(!scanner.hasNext()){  //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 “末尾”  break;  }                String request = scanner.next();  // 2. 根据请求计算响应  String response = process(request);  // 3. 把响应写回给客户端  printWriter.println(response);  System.out.printf("[%s:%d] req=%s; resp=%s\n", clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  }        }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }        System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  }  private String process(String request) {  return request;  }  public static void main(String[] args) throws IOException {  TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);  server.start();  }
}

虽然把服务器代码编写的差不多了，但还存在三个非常严重的问题，都会导致严重的 bug
但需要结合后面客户端的代码进行分析

客户端（Echo Client）

1. 构造方法

首先创建一个 Socket 对象，来进行网络通信，再创建构造方法

import java.io.IOException;  
import java.net.Socket;  public class TcpEchoClient {  private Socket socket = null;  public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {  socket = new Socket(serverIp,serverPort);  }
}

• 写构造方法的时候，就不能使用无参数的版本了，需要在这里指定要访问的服务器的 IP 和端口号
  • 这里可以直接填入一个 String 类型的 IP，不用像前面 UDP 那样还需要手动转换

2. 启动客户端

• 先拿出 socket 里面的 InputStream 和 OutputStream，再进行 while 循环
• 使用 Scanner 包装一下 InputStream，这样就可以更方便地读取这里的请求数据了
• 实例化一个 PrintWriter 对象，获取到 OutputStream，方便后续对数据进行打印
• 创建一个 scannerIn 对象，用来读取从控制台输入的数据

public void start() {  System.out.println("客户端启动！");  try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();  OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);  PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  while(true){  //1. 从控制台读取数据  System.out.println("-> ");  String request = scannerIn.next();  //2. 把请求发送给服务器  printWriter.println(request);  //3. 从服务器读取响应  if(!scanner.hasNext()){  break;  }            String response = scanner.next();  //4. 打印响应结果  System.out.println(response);  }    } catch (Exception e) {  throw new RuntimeException(e);  }
}

• 步骤上和 UDP 是非常相似的，只不过此处的 API 不一样
• 前面的 UDP 不管发送也好，接收也罢，都是先去构造一个 DatagramPacket 再去操作，但是对于 TCP 来说，它是纯字节流的操作，就拿字节作为单位进行操作即可
  • 这里为了操作方便，又给这个字节流套上了对应的字符流/工作类，之后再去进行读写，都会非常方便

3. 完整代码

import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  
import java.io.OutputStream;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.Socket;  
import java.util.Scanner;  public class TcpEchoClient {  private Socket socket = null;  public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {  socket = new Socket(serverIp,serverPort);  }  public void start() {  System.out.println("客户端启动！");  try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();  OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);  PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  while(true){  //1. 从控制台读取数据  System.out.println("-> ");  String request = scannerIn.next();  //2. 把请求发送给服务器  printWriter.println(request);  //3. 从服务器读取响应  if(!scanner.hasNext()){  break;  }                String response = scanner.next();  //4. 打印响应结果  System.out.println(response);  }        } catch (Exception e) {  throw new RuntimeException(e);  }    }  public static void main(String[] args) throws IOException {  TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);  client.start();  }
}

服务器代码中的三个严重 bug

1. 内存缓冲区

1. 客户端发送了数据之后，并没有任何响应
   此处的情况是，客户端并没有真正的将数据发送出去，服务器没有收到，自然没有任何响应

//这是客户端中，将数据发送给服务器的代码  
printWriter.println(request);//这是服务器中，把响应写回给客户端的代码 
printWriter.println(response);  

• PrintWriter 这样的类，以及很多 IO 流中的类，都是“自带缓冲区”的
  • 进行文件/网络操作，都是 IO 操作，IO 操作本身是一种耗时比较多，开销比较大的操作。耗时比较多的操作频繁进行，就会影响程序执行效率，所以我们可以引入“缓冲区”，减少 IO 的次数，从而提高效率
  • 引入“缓冲区”之后，进行写入操作，不会立即触发 IO，而是先放到内存缓冲区中，等到缓冲区里攒了一波之后，再统一进行发送

---

• 此处可以引入 flush 操作，主动“刷新缓冲区”
  • flush 的原意为“冲刷”，类似于冲厕所

---

改为：

// 客户端  
printWriter.println(request);
printWriter.flush();// 服务器 
printWriter.println(response);
printWriter.flush();

2. 资源释放

2. 当前的服务器代码，针对 clientSocket 没有进行 close 操作

while(true) {  //建立连接  Socket clientSocket = serverSocket.accept();  processConnection(clientSocket);  
}

• 像 ServerSocket 和 DatagramPacket，它们的生命周期都是跟随整个进程的，和进程同生死，进程关了之后他俩对应的资源也释放了
• 但此处的 clientSocket 并非如此，它是“连接级别”的数据，随着客户端断开连接了，这个 Socket 也就不再使用了，但资源是不释放的
  • 即使是同一个客户端，断开之后，重新连接，也是一个新 Socket，和旧的 Socket 不是同一个了
  • 因此，这样的 Socket 就应该主动关闭掉，避免文件资源泄露

---

改后：
把 close 加到 finally 里面，把日志前移（不然释放之后日志就打印不出来了）

private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {  try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  ...while(true) {  ...}    }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }finally {  System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  clientSocket.close();  }
}

GC 释放的是内存资源，此处讨论的“文件资源泄露”是针对文件描述符的

• 其实，流对象如果被 GC 回收了，也是会自动执行 close 的，但是由于 GC 过程是不可逆的（不知道 GC 什么时候发生，也不知到这次 GC 是否能释放掉你这个对象）
• 一个对象可能不会很及时释放，在有些情况下，在还没来得及释放的时候，就导致这里的文件描述符就没了
• 因此，我们写代码不能全指望这个东西，尤其是当前“高并发”服务器的背景下，短时间内就可能处理大量的客户端

3. 多个客户端连接同一个服务器

3. 尝试使用多个客户端来同时连接服务器
   作为一个服务器，就是要同时给多个客户端提供服务的

• 当第一个客户端连上服务器之后，服务器代码救护已进入 processConnect 内部的 while 循环，无法跳出
• 此时第二个客户端尝试连接的时候，无法执行到第二次 accept
• 所有第二个客户端发来的请求数据，都积压在操作系统的内核的接收缓冲区中
  第一个客户端推出的时候，processConnect 的循环就结束了，于是外层的循环就可以执行 accept 了，也是就可以处理第二个客户端之前积压的请求数据了
• 此处无法处理多个客户端，本质上是服务器代码结构存在问题
• 采取了双重 while 循环的写法，导致进入里层 while 的时候，外层 while 就无法执行了
• 解决办法就是：把双重 while 改成一重 while，分别进行执行——使用多线程

改后：

public void start() throws IOException {  while(true) {  //建立连接  Socket clientSocket = serverSocket.accept();  Thread t = new Thread(() -> {  try {  processConnection(clientSocket);  } catch (IOException e) {  throw new RuntimeException(e);  }        });        t.start();  }
}