Java开发笔记（一百一十四）利用Socket传输文本消息

前面介绍了HTTP协议的网络通信，包括接口调用、文件下载和文件上传，这些功能固然已经覆盖了常见的联网操作，可是HTTP协议拥有专门的通信规则，这些规则一方面有利于维持正常的数据交互，另一方面不可避免地缺少灵活性，比如下列条条框框就难以逾越：
1、HTTP连接属于短连接，每次访问操作结束之后，客户端便会关闭本次连接。下次还想访问接口的话，就得重新建立连接，要是频繁发生数据交互的话，反复的连接和断开将造成大量的资源消耗。
2、在HTTP连接中，服务端总是被动接收消息，无法主动向客户端推送消息。倘若客户端不去请求服务端，服务端就没法发送即时消息。
3、每次HTTP调用都属于客户端与服务端之间的一对一交互，完全与第三者无关（比如另一个客户端），这种技术手段无法满足类似QQ聊天那种群发消息的要求。
4、HTTP连接需要搭建专门的HTTP服务器，这样的服务端比较重，不适合两个设备终端之间的简单信息传输。
诚然HTTP协议做不到如此灵活多变的地步，势必要在更基础的层次去实现变化多端的场景。在Java编程中，网络通信的基本操作单元其实是套接字Socket，它本身不是什么协议，而是一种支持TCP/IP协议的通信接口。创建Socket连接的时候，允许指定当前的传输层协议，当Socket连接的双方握手确认连上之后，此时采用的是TCP协议；当Socket连接的双方未确认连上就自顾自地发送数据，此时采用的是UDP协议。在TCP协议的实现过程中，每次建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，用的是Socket类；另一个运行于服务端，用的是ServerSocket类。
Socket工具虽然主要用于客户端，但服务端通常也保留一份客户端的Socket备份，它描述了两边对套接字处理的一般行为。下面是Socket类的主要方法说明：
connect：连接指定IP和端口。该方法用于客户端连接服务端，成功连上之后才能开展数据交互。
getInputStream：获取套接字的输入流，输入流用于接收对方发来的数据。
getOutputStream：获取套接字的输出流，输出流用于向对方发送数据。
isConnected：判断套接字是否连上。
close：关闭套接字。套接字关闭之后将无法再传输数据。
isClosed：判断套接字是否关闭。

ServerSocket仅用于服务端，它的构造函数可指定侦听指定端口，从而及时响应客户端的连接请求。下面是ServerSocket的主要方法说明：
accept：开始接收客户端的连接。一旦有客户端连上，就返回该客户端的套接字对象。若要持续侦听连接，得在循环语句中调用该方法。
close：关闭服务端的套接字。
isClosed：判断服务端的套接字是否关闭。

由于套接字属于长连接，只要连接的双方未调用close方法，也没退出程序运行，那么理论上都处于已连接的状态。既然是长时间连接，在此期间的任何时刻都可能发送和接收数据，为此套接字的客户端需要给每个连接分配两个线程，其中一个线程专门用来向服务端发送信息，而另一个线程专门用于从服务端接收信息。而服务端需要循环调用accept方法，以便持续侦听客户端的套接字请求，一旦接到某个客户端的连接请求，就开启一个分线程单独处理该客户端的信息交互。
接下来看个利用Socket传输文本消息的例子，为方便起见，每次只传输一行文本。由于要求I/O流支持读写一行文本，因此采用的输入流成员为缓存读取器BufferedReader，输出流成员为打印流PrintStream，其中前者的readLine方法能够读出一行文本，后者的println方法能够写入一行文本。据此编写的套接字客户端主要代码示例如下：

//定义一个文本发送任务
public class SendText implements Runnable {
	// 以下为Socket服务器的IP和端口，根据实际情况修改
	private static final String SOCKET_IP = "192.168.1.8";
	private static final int TEXT_PORT = 51000; // 文本传输专用端口
	private BufferedReader mReader; // 声明一个缓存读取器对象
	private PrintStream mWriter; // 声明一个打印流对象
	private String mRequest = ""; // 待发送的文本内容

	@Override
	public void run() {
		Socket socket = new Socket(); // 创建一个套接字对象
		try {
			// 命令套接字连接指定地址的指定端口，超时时间为3秒
			socket.connect(new InetSocketAddress(SOCKET_IP, TEXT_PORT), 3000);
			// 根据套接字的输入流构建缓存读取器
			mReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
			// 根据套接字的输出流构建打印流对象
			mWriter = new PrintStream(socket.getOutputStream());
			// 利用Lambda表达式简化Runnable代码。启动一条子线程从服务器读取文本消息
			new Thread(() -> handleRecv()).start();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	// 发送文本消息
	public void sendText(String text) {
		mRequest = text;
		// 利用Lambda表达式简化Runnable代码。启动一条子线程向服务器发送文本消息
		new Thread(() -> handleSend(text)).start();
	}

	// 处理文本发送事件。为了避免多线程并发产生冲突，这里添加了synchronized使之成为同步方法
	private synchronized void handleSend(String text) {
		PrintUtils.print("向服务器发送消息："+text);
		try {
			mWriter.println(text); // 往打印流对象中写入文本消息
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	// 处理文本接收事件。为了避免多线程并发产生冲突，这里添加了synchronized使之成为同步方法
	private synchronized void handleRecv() {
		try {
			String response;
			// 持续从服务器读取文本消息
			while ((response = mReader.readLine()) != null) {
				PrintUtils.print("服务器返回消息："+response);
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

至于套接字的服务端，在accept方法侦听到客户端连接之后，使用的I/O流依然为缓存读取器BufferedReader与打印流PrintStream，为方便观察客户端和服务端的交互过程，服务端准备在接收客户端消息之后立刻返回一行文本，从而告知客户端已经收到消息了。据此编写的套接字服务端主要代码示例如下：

//定义一个文本接收任务
public class ReceiveText implements Runnable {
	private static final int TEXT_PORT = 51000; // 文本传输专用端口

	@Override
	public void run() {
		PrintUtils.print("接收文本的Socket服务已启动");
		try {
			// 创建一个服务端套接字，用于监听客户端Socket的连接请求
			ServerSocket server = new ServerSocket(TEXT_PORT);
			while (true) { // 持续侦听客户端的连接
				// 收到了某个客户端的Socket连接请求，并获得该客户端的套接字对象
				Socket socket = server.accept();
				// 启动一个服务线程负责与该客户端的交互操作
				new Thread(new ServerTask(socket)).start();
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	// 定义一个伺候任务，好生招待这位顾客
	private class ServerTask implements Runnable {
		private Socket mSocket; // 声明一个套接字对象
		private BufferedReader mReader; // 声明一个缓存读取器对象

		public ServerTask(Socket socket) throws IOException {
			mSocket = socket;
			// 根据套接字的输入流构建缓存读取器
			mReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(mSocket.getInputStream()));
		}

		@Override
		public void run() {
			try {
				String request;
				// 循环不断地从Socket中读取客户端发送过来的文本消息
				while ((request = mReader.readLine()) != null) {
					PrintUtils.print("收到客户端消息：" + request);
					// 根据套接字的输出流构建打印流对象
					PrintStream ps = new PrintStream(mSocket.getOutputStream());
					String response = "hi，很高兴认识你";
					PrintUtils.print("服务端返回消息：" + response);
					ps.println(response); // 往打印流对象中写入文本消息
				}
			} catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

接着服务端程序开启Socket专用的文本接收线程，线程启动代码如下所示：

		// 启动一个文本接收线程
		new Thread(new ReceiveText()).start();

然后客户端程序也开启Socket连接的文本发送线程，并命令该线程先后发送两条文本消息，消息发送代码如下所示：

	// 发送文本消息
	private static void testSendText() {
		SendText task = new SendText(); // 创建一个文本发送任务
		new Thread(task).start(); // 为文本发送任务开启分线程
		task.sendText("你好呀"); // 命令该线程发送文本消息
		task.sendText("Hello World"); // 命令该线程发送文本消息
	}

最后完整走一遍流程，先运行服务端的测试程序，再运行客户端的测试程序，观察到的客户端日志如下：

12:41:15.967 Thread-3 向服务器发送消息：Hello World
12:41:15.972 Thread-2 服务器返回消息：hi，很高兴认识你

同时观察到下面的服务端日志：

12:40:12.543 Thread-0 接收文本的Socket服务已启动
12:41:15.970 Thread-1 收到客户端消息：Hello World
12:41:15.971 Thread-1 服务端返回消息：hi，很高兴认识你

根据以上的客户端日志以及服务端日志，可知通过Socket成功实现了文本传输功能。

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