概述
在现代网络编程的广阔天地中，Java Socket API 为我们提供了强大的工具，以实现客户端与服务器之间的高效通信。本文将带您深入Linux系统的内核，揭示Java Socket编程背后的系统调用机制，并详细解读TCP连接状态的每一个关键阶段。通过实际的代码示例和系统调用的深入分析，我们将一探究竟，理解在Linux环境下，Java Socket是如何完成其魔法般的通信任务的。
命令介绍
在深入Java Socket的内部工作之前，让我们先来熟悉几个Linux系统调用和网络命令，这些工具将帮助我们监视和分析网络活动。
- lsof -p [pid] ：这个强大的命令使我们能够窥视进程的文件描述符，揭示系统资源的分配情况。
- netstat -natp ：提供了一个全面的视图，展示当前
TCP/IP网络连接的状态，以及相关的协议统计信息。- -n：以数字形式显示地址和端口号。
- -a：显示所有连接和监听端口。
- -t ：显示
TCP传输协议的连线状况。 - -p ：显示使用
Socket的程序识别码和程序名称。
- strace -ff -o ：作为系统调用的侦探，它能够跟踪进程的每一个系统调用和信号，为我们提供详尽的执行细节。
- -ff：输出所有进程的跟踪结果到相应的文件中。
- -o [filename] ：将输出写入指定文件。
- -p [pid] ：跟踪指定进程。
- tcpdump -S -nn -i eth0 port 9090 ：这个网络包分析工具允许我们根据定义捕获网络上的数据包，为我们提供了深入网络层面的洞察力。
- -S ：列出
TCP关联数的绝对数值。 - -n：不解析主机的网络地址。
- -i [interface] ：指定网络截面。
- port [port] ：指定端口。
- -S ：列出
TCP连接常见状态
TCP连接的状态管理是确保数据可靠传输的核心。以下是TCP连接在其生命周期中可能经历的状态，每个状态都代表了连接的一个特定阶段：
- LISTEN：服务器在此状态下等待接受来自远程TCP端口的连接请求。
- SYN-SENT：服务器已发送连接请求，等待远程TCP的确认。
- SYN-RECEIVED：服务器已接收并确认了连接请求，等待最终的确认。
- ESTABLISHED：连接已成功建立，数据传输可以开始。
- FIN-WAIT-1 & FIN-WAIT-2：服务器准备关闭连接，正在发送结束信号。
- CLOSE-WAIT：服务器已接收到关闭请求，等待应用程序关闭。
- CLOSING：双方均已发出关闭请求，等待最终确认。
- LAST-ACK：服务器已发送关闭确认，等待远程TCP的最终确认。
- TIME-WAIT：服务器已关闭连接，等待足够的时间以确保对方收到最终确认。
- CLOSED：连接已完全关闭，所有资源已释放。
Java Socket编程：实战演练
接下来，我们将通过一系列精心设计的Java代码示例，展示如何在Linux环境下使用Java Socket API实现服务器和客户端之间的通信。
服务端的构建与监听
我们的服务器端程序首先创建一个ServerSocket实例，绑定到指定的端口，并开始监听客户端的连接请求。通过循环和多线程的策略，服务器能够同时处理多个客户端的连接。
客户端的连接与通信
客户端程序则简单直接，它建立到服务器的连接，并发送消息。通过这个简单的行为，我们展示了客户端如何与服务器进行交互。
服务端代码
java
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class ServerSocketBIO {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
try {
serverSocket = new ServerSocket(9090);
System.out.println("--server start--");
while (true) {
//在accept之前，先阻塞住直到按下任意键，方便分析调用流程
System.in.read();
Socket client = serverSocket.accept();
System.out.println("---accept client ---");
new Thread(() -> {
InputStream inputStream;
try {
inputStream = client.getInputStream();
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
while (true) {
System.out.println("*wait client send data...*");
String readLine = bufferedReader.readLine();
if (readLine.equals("quit")) {
System.out.println("---client down...---");
bufferedReader.close();
inputStream.close();
client.close();
break;
} else {
System.out.println("recv client data:" + readLine);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}客户端代码
java
import java.io.*;
import java.net.Socket;
public class SocketCli {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Socket socket = new Socket("10.0.0.101", 9090);
System.out.println("client start...");
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream));
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
while (true) {
String readLine = reader.readLine();
if (readLine.equals("quit")) {
bufferedWriter.write(readLine);
bufferedWriter.newLine();
bufferedWriter.flush();
System.exit(-1);
} else {
bufferedWriter.write(readLine);
bufferedWriter.newLine();
bufferedWriter.flush();
}
}
}
}系统调用追踪与分析
接下来我们通过启动tcpdump捕获数据包，然后观察TCP三次握手的过程。同时，利用strace工具，我们追踪了服务端程序的系统调用，从而揭示了Java Socket API背后的Linux系统调用细节。
开启tcpdump抓取数据包
1. 启动服务端
查看strace输出的out文件，分析如下：
- 服务端创建ServerSocket时，会通过调用socket函数完成，并得到一个FD=5。
- 通过bind函数，将5绑定到9090端口上。
- 通过listen函数，开启监听。
- 通过write打印输出。
- 最终阻塞在read函数中，等待任意键输入，阻塞在这行代码System.in.read()。
2. 状态为LISTEN
查看为服务端分配的文件描述符，FD5对应一个TCP连接，并且状态为LISTEN。
3. 启动客户端 
4. 完成三次握手
注意此时服务端并没有通过accept接收客户端的请求，但是在TCP层面双方已经完成了三次握手（意味着已经可以进行数据传输了）。
5. 服务端状态为ESTABLISHED
服务端建立了连接，因为没有accept，所以也没分配PID，但是状态已经为ESTABLISHED了。
6. 客户端状态也为ESTABLISHED
再去查询客户端，客户端也建立连接，并分配了PID，状态为ESTABLISHED。
7. 服务端accept
服务端键入任意键，执行serverSocket.accept()代码。 
accept函数对应的系统调用过程大致如下：
- 通过阻塞式函数
poll，等待FD=5的文件描述符就绪，如果没有客户端请求到来，则会一直阻塞在这个方法上（也就是serverSocket.accept()，这也是一个阻塞点）。- 调用
accept函数，创建一个与10.0.0.101建立连接的socket，并返回一个引用这个socket新的FD=6。
accept之后，代码中是直接创建了一个新的线程处理，所以当java中调用new Thread时，实际上在linux中通过clone这个函数完成的，并返回了新的线程pid -> 5667。- 之后继续阻塞在
read函数（也就是回到了代码中的System.in.read()），等待任意键输入。
- 此时再来看服务端打开的文件信息时，多了一条
FD=6的TCP信息。
8. 完成PID分配
之前未分配PID，现在也已经完成了分配。
再来查看strace跟踪到的5667这个新创建出来的线程，阻塞在了recvfrom函数中，也是bufferedReader.readLine()这行代码，等待socket中的消息到来。
9. 客户端发送数据
现在让客户端发送一点数据
服务端可以正常接收
5667线程接收到输出后，继续等待新的数据到来。
10. 启动多个客户端
现在让我们再启动一个客户端，服务端正常接收连接。
服务端依然通过clone函数，创建一个新的线程， 并且pid -> 5674。
服务端进程中又多了一条FD=7的TCP信息。
正常建立了连接。
新的线程同样等待数据到来。
11. 客户端下线
最后我们让一个客户端下线，观察netstat，此时下线的客户端与服务端的连接状态为TIME_WAIT。
分配的FD=6也没了。
总结
当服务端创建一个socket并绑定到9090端口上时，系统会为服务端进程分配一个FD并专门用来监听客户端的请求，当有客户端连接时，即使服务端没有accept，也会完成三次握手并建立连接，只不过对于服务端来说此时建立的连接并没有分配到某个具体的PID上，一旦服务端调用accept接收客户端的连接后，就会创建一个新的FD，专门用来处理服务端与客户端数据的交互。
通过演示我们也能看到在传统BIO模式下，服务端的accept和read都会导致线程阻塞，所以我们让主线程专门用来监听客户端的请求，把监听到的请求全部交给一个新的线程去处理，这样实现了一个服务端能同时接收多个客户端的需求，但是你始终不能无限的创建线程，它始终会有瓶颈，所以之后也就出现了NIO，多路复用等IO模型，在这些模型下可以完成一个线程同时处理多个客户端的请求。
至此也就完成了最简单的BIO模式下的系统调用分析，大家可以参考文章，自己进行实验。
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