基于JAVA Socket的底层原理分析及工具实现

2019/12/05 20:36
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前言

 在工作开始之前,我们先来了解一下Socket

  所谓Socket,又被称作套接字,它是一个抽象层,简单来说就是存在于不同平台(os)的公共接口。学过网络的同学可以把它理解为基于传输TCP/IP协议的进一步封装,封装到以至于我们从表面上使用就像对文件流一样的打开、读写和关闭等操作。此外,它是面向应用程序的,应用程序可以通过它发送或接收数据而不用过多的顾及网络协议。

 那么,Socket是存在于不同平台的公共接口又是什么意思呢?  

  形象的说就是“插座”,是不同OS之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 Socket 这种约定,一台计算机可以接收其他计算机的数据,也可以向其他计算机发送数据。Socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器,浏览器获取用户输入的 URL,通过解析出服务器的IP地址,向服务器IP发起请求,服务器分析接收到的 URL,将对应的网页内容返回给浏览器,浏览器再经过解析和渲染,就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

 问题又来了,不通过系统之间能否进行Socket通信呢?

  首先,我们了解一下常用操作系统中的Socket。

  在 UNIX/Linux 系统中,为了统一对硬件的操作,简化接口,不同的硬件设备都被看成一个文件。对这些文件的操作,就等同于对磁盘上普通文件的操作。

  你也许听很多高手说过,UNIX/Linux 中的一切都是文件!那个家伙说的没错。

  学过操作系统的同学可能知道,当对文件进行I/O操作时,系统通常会为文件分配一个ID,也就是文件描述符。简单来讲就是系统对文件的操作转化为

对文件描述符的操作,它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、FIFO、管道、终端、键盘、显示器,甚至是一个网络连接。

  同样的,网络连接也被定义为是一种类似的I/O操作,类似于文件,它也有文件描述符。

  所以当我们可以通过 Socket来进行一次通信时,也可以被称作操作网络文件的过程。在网络建立时,socket() 的返回值就是文件描述符。有了这个文

件描述符,我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了,例如:

  • 用 read() 读取从远程计算机传来的数据;
  • 用 write() 向远程计算机写入数据。

  不难发现,除了不同主机之间的Socket建立过程我们还不清楚,Socket的通信过程就是简单的文件流处理过程。

  在Windows系统中,也有类似“文件描述符”的概念,但通常被称为“文件句柄”。因此,本教程如果涉及 Windows 平台将使用“句柄”,如果涉及Linux

平台则使用“描述符”。与UNIX/Linux 不同的是,Windows 会区分 socket 和文件,Windows 就把 socket 当做一个网络连接来对待,因此需要调用专们

针对 socket 而设计的数据传输函数,针对普通文件的输入输出函数就无效了。

 步入正题

  说了这么多,到底不同系统间不同定义的Socket是怎么通信的呢?

  在此,我们以JAVA Socket 与 Linux Socket的关系分析为例进行说明。首先,拿TCP Socket通信过程来讲,就是客户端与服务器进行TCP数据交互,它分为一下几个步骤:

  1. 系统分配资源,服务端开启Socket进程,对特定端口号进行监听
  2. 客户端针对服务端IP进行特定端口的连接
  3. 连接建立,开始通信
  4. 通信完成,关闭连接

  以TCP的通信过程为例,过程如下:

  具体来说,JAVA是怎样完成对底层Linux Socket接口的调用的呢?以下图为例,当我们在JAVA创建一个TCP连接时,需要首先实例化JAVA的ServerSocket类,其中封装了底层的socket()方法、bind()方法、listen()方法。

其中,socket()方法是JVM对Linux API的调用,详细如下

    1 创建socket结构体
    2 创建tcp_sock结构体,刚创建完的tcp_sock的状态为:TCP_CLOSE
    3 创建文件描述符与socket绑定

  bind ()方法在Linux 的底层详细如下:

    1.将当前网络命名空间名和端口存到bhash()

    可以理解为,绑定到系统能够找到的地方。

  listen()方法在Linux 的底层详细如下:

    1.检查侦听端口是否存在bhash中

    2.初始化csk_accept_queue

    3.将tcp_sock指针存放到listening_hash表

    简单来讲就是验证连接请求的端口是否被开启。

  accpet()方法在Linux 的底层详细如下:  

1.调用accept方法

2.创建socket(创建新的准备用于连接客户端的socket)

3.创建文件描述符

4.阻塞式等待(csk_accept_queue)获取sock

我们知道在listen阶段,会为侦听的sock初始化csk_accept_queue,此时这个queue为空,所以accept()方法会在此时阻塞住,直到后面有客户端成功握手后,这个queue才有sock.如果csk_accept_queue不为空,则返回一个sock.后续的逻辑如accept第二个图所示,其步骤如下:

5.取出sock

6.socket与sock互相关联

7.socket与文件描述符关联

8.将socket返回给线程

  到此,JAVA调用Linux API的初始步骤完成。

  让我们来用JAVA Socket进行简单的编码实现。目标:

  1. 能够实现数据通信

  2. 能够实现客户端和服务端多对一连接。

  在此,以基于TCP连接过程为例,完成以上编码。服务端较为容易实现,它只需要开启监听端口,等待连接。同时对发送和接收模块进行封装,以证上面所说Socket通信相似于IO过程。

Server端代码:

 1 package tcp_network;
 2 
 3 import java.io.DataInputStream;
 4 import java.io.DataOutputStream;
 5 import java.io.IOException;
 6 import java.net.ServerSocket;
 7 import java.net.Socket;
 8 
 9 public class Tcp_server {
10     public static void main(String arg[]) throws IOException { 
11         System.out.print("服务端启动.......\n");
12         ServerSocket server = new ServerSocket(9660); //初始化一个监听端口,让系统分配相关socket资源
13         boolean isRunable = true;
14         while (isRunable){//循环等待连接的建立
15             Socket client = server.accept();
16             System.out.print("一个客户端建立了连接.......\n");
17             new Thread(new Channel(client)).start();//每有一个通信连接,将它放到新的线程中去,实现一个服务端对多个客户端
18         }
19         server.close();
20     }
21     public static class Channel implements Runnable{//封装服务的类,完成接收和发送的实现
22         private Socket client;
23         private DataInputStream in_data;
24         private DataOutputStream out_data;
25         public Channel(Socket client) throws IOException { //构造函数加载,简单初始化相关输入输出流
26             this.client = client;
27             in_data = new DataInputStream(client.getInputStream());//将通信的字节流封装为IO的输入输出流
28             out_data = new DataOutputStream(client.getOutputStream());
29         }
30         public String receive() throws IOException {//通过对输入流
31             String data = in_data.readUTF();
32             return  data;
33         }
34         public void send(String msg) throws IOException {
35             out_data.writeUTF(msg);//将数据写到数据流当中
36             out_data.flush();//刷新缓冲,发送数据
37         }
38         public void release() throws IOException {//连接结束时,释放系统资源
39             in_data.close();
40             out_data.close();
41             client.close();
42         }
43         @Override
44         public void run() {
45             try {
46                 String receive_data;
47                 while (true){
48                     receive_data = receive();
49                     if(!receive_data.equals(""))
50                     {
51                         if(receive_data.equals("Hello"))
52                         {
53                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客户端信息:"+receive_data+"\n");
54                             send("Hi");
55                         }
56                         else {
57                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客户端信息:"+receive_data+"\n");
58                             send(receive_data.toUpperCase());
59                         }
60                     }
61                 }
62             } catch (IOException e) {
63                 try {
64                     release();
65                 } catch (IOException ex) {
66                     ex.printStackTrace();
67                 }
68                 e.printStackTrace();
69             }
70         }
71     }
72 }

Client端代码:

package tcp_network;

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

public class Tcp_client {
    public static void main(String arg[]) throws IOException {
        Socket client = new Socket("localhost",9660);//新建socket资源
        boolean isRuning = true;
        while (isRuning) {
            //new Send(client).send();
            //new Receive(client).receive();
            new Thread(new Send(client)).start();//启动发送线程
            new Thread(new Receive(client)).start();//启动接收线程
        }
    }
    public static class Send implements Runnable
    {
        private DataOutputStream out_data;
        private BufferedReader console;
        private String msg;
        public Send(Socket client) throws IOException {
            this.console = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));//接收系统输入
            this.msg = init();
            try {
                this.out_data = new DataOutputStream(client.getOutputStream());//将字符流转化为数据流
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        private String init() throws IOException {
            String msg=console.readLine();
            return msg;
        }
        @Override
        public void run() {//在线程体内实现发送数据
            try {
                out_data.writeUTF(msg);
                out_data.flush();
                System.out.println("send date !");
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static class Receive implements Runnable{//将接收模块单独封装,目的是避免通信时接收一直阻塞
        private DataInputStream in_data;
        private String msg;
        public Receive(Socket client){
            try{
                in_data = new DataInputStream(client.getInputStream());//转换流

            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        @Override
        public void run() {
            String data = null;
            try {//在线程中实现接收  IO缓冲区数据并输出
                data = in_data.readUTF();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.print("服务端:"+data+"\n");
        }
    }

}

 注意:在客户端需要把发送和接收模块放到两个线程中去,否则会出现客户端一直阻塞等待接收,不能进行下次发送数据的情况(解决办法:放到不同线程中接收发送能够互不影响)。

 效果如下:

    

 

 

 

  

参考:

  https://blog.csdn.net/vipshop_fin_dev/article/details/102966081

  http://c.biancheng.net/view/2128.html

 

 

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