基于JAVA Socket的底层原理分析及工具实现

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：

 package tcp_network;

 import java.io.DataInputStream;
 import java.io.DataOutputStream;
 import java.io.IOException;
 import java.net.ServerSocket;
 import java.net.Socket;

 public class Tcp_server {
     public static void main(String arg[]) throws IOException {
         System.out.print("服务端启动.......\n");
         ServerSocket server = new ServerSocket(9660); //初始化一个监听端口，让系统分配相关socket资源
         boolean isRunable = true;
         while (isRunable){//循环等待连接的建立
             Socket client = server.accept();
             System.out.print("一个客户端建立了连接.......\n");
             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
         }
         server.close();
     }
     public static class Channel implements Runnable{//封装服务的类，完成接收和发送的实现
         private Socket client;
         private DataInputStream in_data;
         private DataOutputStream out_data;
         public Channel(Socket client) throws IOException { //构造函数加载，简单初始化相关输入输出流
             this.client = client;
             in_data = new DataInputStream(client.getInputStream());//将通信的字节流封装为IO的输入输出流
             out_data = new DataOutputStream(client.getOutputStream());
         }
         public String receive() throws IOException {//通过对输入流
             String data = in_data.readUTF();
             return  data;
         }
         public void send(String msg) throws IOException {
             out_data.writeUTF(msg);//将数据写到数据流当中
             out_data.flush();//刷新缓冲，发送数据
         }
         public void release() throws IOException {//连接结束时，释放系统资源
             in_data.close();
             out_data.close();
             client.close();
         }
         @Override
         public void run() {
             try {
                 String receive_data;
                 while (true){
                     receive_data = receive();
                     if(!receive_data.equals(""))
                     {
                         if(receive_data.equals("Hello"))
                         {
                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客户端信息："+receive_data+"\n");
                             send("Hi");
                         }
                         else {
                             System.out.print("IP:"+client.getInetAddress()+" 客户端信息："+receive_data+"\n");
                             send(receive_data.toUpperCase());
                         }
                     }
                 }
             } catch (IOException e) {
                 try {
                     release();
                 } catch (IOException ex) {
                     ex.printStackTrace();
                 }
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     }
 }

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