JDK中socket源码解析

目录

1、Java.net包

1. Socket通信相关类

2. URL和URI处理类

3. 网络地址和主机名解析类

4. 代理和认证相关类

5. 网络缓存和Cookie管理类

6. 其他网络相关工具类

2、什么是socket？

3、JDK中socket核心Api

4、核心源码

1、核心方法

2、本地方法

3、linux是怎么处理链接的？

5、demo验证

建立连接

发送数据

断开连接

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1、Java.net包

java.net包提供了一组用于网络编程的类，支持开发网络应用程序和处理网络通信。java.net包可以大致分为六个部分：

1. Socket通信相关类

这些类用于实现基于 TCP 和 UDP 协议的网络通信。

• Socket：实现客户端的 TCP 套接字，允许程序与远程主机建立连接并传输数据。
• ServerSocket：实现服务器的 TCP 套接字，用于监听客户端连接并接受连接请求。
• DatagramSocket：用于 UDP 套接字通信，通过不可靠的无连接数据报协议传输数据。
• MulticastSocket：扩展了 DatagramSocket，用于支持多播组通信，允许数据发送到多个接收者。
• SocketAddress：表示一个套接字地址，通常用于绑定到特定 IP 地址和端口。
• InetSocketAddress：表示 IP 地址和端口的组合，继承自SocketAddress 。

2. URL和URI处理类

这些类用于处理统一资源定位符（URL）和统一资源标识符（URI）。

• URL：表示一个 URL（统一资源定位符），用于定位网络资源。支持从指定的 URL 中读取和解析数据。
• URI：表示一个 URI（统一资源标识符），提供对 URI 的结构化处理。
• URLStreamHandler：处理 URL 的协议细节，通常用于为不同协议（如 http、ftp）定义特定的处理逻辑。
• URLConnection：表示到 URL 所引用的资源的通信链接，可以处理资源的获取和发送。
  • HttpURLConnection：继承自URLConnection ，用于处理 HTTP 协议的 URL 连接，支持 HTTP 请求和响应。
  • JarURLConnection：继承自URLConnection ，用于从 JAR 文件中获取资源。

3. 网络地址和主机名解析类

这些类用于表示 IP 地址和解析主机名。

• InetAddress：表示 IP 地址，可以通过主机名或 IP 地址来查找和操作网络主机。
  • Inet4Address：表示 IPv4 地址。
  • Inet6Address：表示 IPv6 地址。
• NetworkInterface：表示网络接口（如以太网接口），用于获取和操作本地计算机的网络接口。

4. 代理和认证相关类

这些类用于处理网络代理和认证功能。

• Proxy：表示网络通信中的代理设置，支持 HTTP 和 SOCKS 等代理类型。
• ProxySelector：用于选择代理服务器的策略，可以根据 URI 的类型来选择合适的代理。
• Authenticator：用于实现网络请求中的认证机制，允许为 HTTP 和 FTP 请求提供用户名和密码等凭据。
• PasswordAuthentication：表示用户名和密码对，用于 Authenticator  类中的认证操作。

5. 网络缓存和Cookie管理类

这些类用于处理缓存和 Cookie 的存储和管理。

• CookieHandler：用于管理 HTTP 协议中的 Cookie。
  • CookieManager：具体的 Cookie 管理器实现，允许存储和检索 Cookie。
• CacheRequest：表示缓存系统中的请求，允许将资源写入缓存。
• CacheResponse：表示缓存系统中的响应，允许从缓存中读取资源。

6. 其他网络相关工具类

一些提供额外网络功能的工具类。

• DatagramPacket：用于表示数据报，包含通过  DatagramSocket 发送或接收的数据。
• IDN：提供对国际化域名的处理，允许将 Unicode 域名转换为符合 Punycode 编码的 ASCII 字符串。
• NetworkInterface：表示计算机上的网络接口，允许列举和操作网络接口。
• StandardProtocolFamily：定义标准协议族（如 INET 和INET6），用于套接字通信。

2、什么是socket？

一个IP地址和一个端口号称为一个套接字（socket）。此术语出现在最早的TCP规范（RFC793, Page 5）中。我们知道进程通信的方法有管道、命名管道、信号、消息队列、共享内存、信号量，这些方法都要求通信的两个进程位于同一个主机。但是如果通信双方不在同一个主机又该如何进行通信呢？在计算机网络中有一个tcp/ip协议族，使用tcp/ip协议族就能达到我们想要的效果，如下图所示:

socket就是提供了tcp/ip协议的抽象，对外提供了一套接口，同过这个接口就可以统一、方便的使用tcp/ip协议的功能了，使得我们可以在在不同的计算机或网络设备之间建立连接，允许数据的发送和接收。

3、JDK中socket核心Api

方法签名		作用
构造函数	public ServerSocket()	创建未绑定的服务器套接字。稍后需要手动调用 bind() 来绑定到特定的端口。
	public ServerSocket(int port)	创建绑定到指定端口的服务器套接字，默认使用所有可用的网络接口（IP 地址）。
	public ServerSocket(int port, int backlog)	创建绑定到指定端口的服务器套接字，并指定连接请求队列的最大长度 backlog。
	public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)	创建绑定到指定 IP 地址和端口的服务器套接字，指定 backlog 来定义连接请求的队列长度。
	public Socket(String host, int port)（客户端）	创建一个客户端 Socket 并连接到指定的远程主机 host 和端口 port。
绑定端口方法	public void bind(SocketAddress endpoint)（客户端、服务端）	将服务器套接字绑定到指定的 SocketAddress，通常是 InetSocketAddress，以监听特定端口。
	public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog)	绑定到指定的 SocketAddress 并设置连接请求队列的最大长度 backlog，队列满时拒绝新连接请求。
监听客户端	protected void listen(int backlog)	将服务器套接字置于监听状态，backlog 参数指定允许等待连接的最大队列长度，超过该长度的连接请求将被拒绝。
接受客户端请求	public Socket accept() throws IOException	等待客户端的连接请求，接受成功后返回一个与客户端通信的新 Socket 对象。
尝试连接服务端socket	public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout)（客户端）	尝试连接到远程服务器指定的 SocketAddress 地址，timeout 参数指定连接超时时间（毫秒）。如果在超时时间内未能连接，则抛出异常。
数据输入输出	InputStream getInputStream()	获取 Socket 的字节输入流
	OutputStream getOutputStream()	获取 Socket 的字节输出流
	InetAddress getInetAddress()	获取对端的 IP 地址
	InetAddress getPort()	获取对端的端口号

4、核心源码

1、核心方法

客户端和服务端最重要的两个类是Socket和Server Socket，这俩一个代表tcp通信的客户端，一个代表服务端。从源码来看,ServerSocket和socket内部分别持有一个SocketImpl对象，用于将对应的方法代理给native方法。以服务端ServerSocket为例：
构造函数中通过调用setImpl()创建了一个SocketImpl实现类，所有的创建链接、读写数据系统交互的本地方法都是在实现类中调用，也就是将对应的方法代理给native方法。

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {setImpl();if (port < 0 || port > 0xFFFF)throw new IllegalArgumentException("Port value out of range: " + port);if (backlog < 1)backlog = 50;try {bind(new InetSocketAddress(bindAddr, port), backlog);} catch(SecurityException e) {close();throw e;} catch(IOException e) {close();throw e;}}

setImpl();方法在JDK17与JDK8中的实现方式不一样。JDK13之前使用的是PlainSocketImpl这个实现类（阻塞式 I/O），JDK 13后，Socket 的连接过程通过 NioSocketImpl 实现，采用了 NIO（非阻塞 I/O）技术来实现高效的网络连接和数据传输。具体可以参考：JDK13新特性

private void setImpl() {SocketImplFactory factory = ServerSocket.factory;if (factory != null) {impl = factory.createSocketImpl();} else {impl = SocketImpl.createPlatformSocketImpl(true);}}static <S extends SocketImpl & PlatformSocketImpl> S createPlatformSocketImpl(boolean server) { （默认传参false）if (USE_PLAINSOCKETIMPL) {return (S) new PlainSocketImpl(server);} else {return (S) new NioSocketImpl(server);}}

创建对应的socket实现类以后，调用bind方法绑定端口与开启监听，真正的本地方法的调用都在：getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort())、getImpl().listen(backlog)中实现：

public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {if (backlog < 1)backlog = 50;try {@SuppressWarnings("removal")SecurityManager security = System.getSecurityManager();if (security != null)security.checkListen(epoint.getPort());getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());getImpl().listen(backlog);bound = true;} catch(SecurityException e) {bound = false;throw e;} catch(IOException e) {bound = false;throw e;}}

static void bind(ProtocolFamily family, FileDescriptor fd,InetAddress addr, int port) throws IOException{boolean preferIPv6 = isIPv6Available() &&(family != StandardProtocolFamily.INET);if (addr.isLinkLocalAddress()) {addr = IPAddressUtil.toScopedAddress(addr);}bind0(fd, preferIPv6, exclusiveBind, addr, port);}

2、本地方法

JDK8源码中的路径：C:\jdk-8\src\solaris\native\java\net\PlainSocketImpl.cJNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_PlainSocketImpl_socketBind(JNIEnv *env, jobject this,jobject iaObj, jint localport) {}

3、linux是怎么处理链接的？

前面提到的核心Api中，有关建立socket连接的Api中都有一个参数叫做backlog，源码中这个参数如果不设置，系统默认值为50，那么这个参数到底是什么？

public ServerSocket(int port) throws IOException {this(port, 50, null);}public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {setImpl();}

关于这个参数，只需要看懂下面这张图就明白了：

Linux内核协议栈为TCP连接管理使用两个队列，一个是SYN队列（半链接队列，用来保存处于SYN_SENT和SYN_RECV状态的请求），一个是accpetd队列（用来保存处于established状态，但是应用层没有调用accept取走的请求），这两个队列是内核实现的，当服务器绑定、监听了某个端口后，这个端口的SYN队列和ACCEPT队列就建立好了。如图，整个过程就是：

1. 当SYN包到达了服务器后，内核会把这一信息放到SYN队列（即未完成握手队列）中，同时回一个SYN+ACK包给客户端。
2. 一段时间后，客户端再次发来了针对服务器SYN包的ACK网络分组时，内核会把连接从SYN队列中取出，再把这个连接放到ACCEPT队列（即已完成握手队列）中。
3. 服务器在第3步调用accept时，其实就是直接从ACCEPT队列中取出已经建立成功的连接套接字而已。

那么问题来了，当这两个队列满了后，新的请求到达了又将发生什么？

• 对于SYN队列，若队列满，则会直接丢弃请求，即新的SYN网络分组会被丢弃，这个问题好解决，客户端接收不到回复，会再一次发送，然后服务端继续丢弃，知道队列有空闲的位置。而客户端如果一直接收不到回复，发几次之后就会停止。
• 对于ACCEPT队列的处理就有点复杂了，分两种情况：

1. 1. 如果server端设置了sysctl_tcp_abort_on_overflow，那么server会发送rst给client，并删除掉这个链接。默认情况下是不会设置的。
   2. 如果没有设置sysctl_tcp_abort_on_overflow ，server端只是标记连接请求块的acked标志，并且连接建立定时器，会遍历半连接表，重新发送synack，重复上面的过程，如果重传次数超过synack重传的阀值，会把该连接从半连接链表中直接删除。

5、demo验证

建立连接

• 1、服务端创建服务端套接字，并开启客户端监听与等待连接请求
• 2、客户端客户端套接字，尝试连接服务端
• 3、客户端调用private static native int connect0(boolean preferIPv6,
                                         FileDescriptor fd,
                                         InetAddress remote,
                                         int remotePort)
• 3次握手建立连接

发送数据

• 1、客户端调用OutputStreamWriter发送数据
• 2、服务端调用InputStreamReader接收数据

断开连接

• 手动使客户端关闭连接
• 4次挥手断开连接