【网络】TCP回显服务器和客户端的构造，以及相关bug解决方法

椰椰椰耶2024-08-17 11:09

不像 UDP 有 DatagramPacket 是专门的"UDP 数据报"，TCP 没有专门的"TCP 数据报"

  • 因为 TCP 是面向字节流的，TCP 传输数据的基本单位就是 byte
  • UDP 是面向数据报，UDP 这里需要定义专门的类，表示 UDP 数据报，作为 UDP 传输的基本单位
  • TCP 这里在进行读数据或者写数据的时候，都是以字节或字节数组作为参数进行操作的

ServerSocket

专门给服务器使用的 socket 对象

构造方法

方法签名 方法说明
ServerSocket(int port) 创建⼀个服务端流套接字 Socket，并绑定到指定端⼝ 创建⼀个服务端流套接字 Socket，并绑定到指定端⼝

方法

方法签名 方法说明
Socket accept() 开始监听指定端⼝（创建时绑定的端⼝），有客⼾端连接后，返回⼀个服务端 Socket 对象，并基于该 Socket 建⽴与客⼾端的连接，否则阻塞等待
void close() 关闭此套接字
  • TCP 是有连接的，有连接就需要有一个"建立连接"的过程
    • 建立连接的过程就类似于打电话
    • 此处的 accept 就相当于接电话
    • 由于客户端是"主动发起"的一方，服务器是"被动接受"的一方，一定是客户端打电话，服务器接电话

Socket

既会给客户端使用，又会给服务器使用

构造方法

方法签名 方法说明
Socket(String host, int port) 创建⼀个客⼾端流套接字 Socket，并与对应 IP 的主机上，对应端⼝的进程建⽴连接
  • 构造这个对象，就是和服务器"打电话"，建立连接

方法

方法签名 方法说明
InetAddress getInetAddress() 返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream() 返回此套接字的输⼊流
OutputStream getOutputStream() 返回此套接字的输出流

InputStream 和 OutputStream 称为"字节流"

  • 前面针对文件操作的方法，针对此处的 TCP Socket 来说，也是完全适用的

回显服务器（Echo Server）

1. 构造方法

  • 创建一个 Server Socket 对象，起到"遥控网卡"的作用
java 复制代码 
import java.io.IOException;  
import java.net.ServerSocket;  
  
public class TcpEchoServer {  
    private ServerSocket serverSocket= null;  
  
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {  
        serverSocket = new ServerSocket(port);  
    }
}
  • 对于服务器这一端来说，需要在 socket 对象创建的时候，就指定一个端口号 port，作为构造方法的参数
  • 后续服务器开始运行之后，操作系统就会把端口号和该进程关联起来
  • 端口号的作用就是来区分进程的，一台主机上可能有很多个进程很多个程序，都要去操作网络。当我们收到数据的时候，哪个进程来处理，就需要通过端口号去区分
    • 所以就需要在程序一启动的时候，就把这个程序关联哪个端口指明清楚
  • 在调用这个构造方法的过程中，JVM 就会调用系统的 Socket API，完成"端口号-进程 "之间的关联动作
    • 这样的操作也叫"绑定端口号 "（系统原生 API 名字就叫 bind）
    • 绑定好了端口号之后，就明确了端口号和进程之间的关联关系
  • 对于一个系统来说，同一时刻，一个端口号只能被一个进程绑定；但是一个进程可以绑定多个端口号（通过创建多个 Socket 对象来完成）
    • 因为端口号是用来区分进程，收到数据之后，明确说这个数据要给谁，如果一个端口号对应到多个进程，那么就难以起到区分的效果
    • 如果有多个进程，尝试绑定一个端口号，只有一个能绑定成功，后来的都会绑定失败

2. 建立连接

java 复制代码 
public void start() throws IOException {  
    while(true) {  
        //建立连接  
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();  
        processConnection(clientSocket);  
    }
}
  • TCP 建立连接的流程，是操作系统内核完成的，我们的代码感知不到
    • accept 操作，是内核已经完成了连接建立的操作，然后才能够进行"接通电话"
    • accept 相当于是针对内核中已经建立好的连接进行"确认"动作
  • 由于 accept 的返回对象是 Socket，所以还需要创建一个 clientSocket 来接收返回值
    • clientSocket 和 serverSocket 这两个都是 Socket，都是"网卡的遥控器"，都是用来操作网卡的。但是在 TCP 中，使用两个不同的 Socket 进行表示，他们的分工是不同的，作用是不同的
      • serverSocket 就相当于是卖房子的销售，负责在外面揽客
      • clientSocket 相当于是售楼部里面的置业顾问，提供"一对一服务"

processConnection 方法的创建

针对一个连接，提供处理逻辑

  • 先打印客户端信息
  • 然后创建一个 InputStream 对象用来读取数据，创建一个 OutputStream 对象
  • 随后，在 while 死循环中完成客户端针对请求的响应处理
java 复制代码 
private void processConnection(Socket clientSocket) {  
    //打印客户端信息  
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
    try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
        while(true) {  
            // 1. 读取请求并解析  
            // 2. 根据请求计算响应  
            // 3. 把响应写回给客户端  
        }  
    }catch (IOException e){  
        e.printStackTrace();  
    }    
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
}
  • 因为 TCP 是全双工的通信，所以一个 Socket 对象，既可以读，也可以写
  • 因此就可以通过 clientSocket 对象拿出里面的 InputStream 和 OutputStream，我们就既能读，也能写了
1. 读取请求并解析

通过 inputStream.read() 读取请求，但如果直接这样读就不方便，读到的还是二进制数据

  • 我们可以先使用 Scanner 包装一下 InputStream，这样就可以更方便地读取这里的请求数据了
java 复制代码 
//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  
    //打印客户端信息  
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
    try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
  		Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
        //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  
        while(true) {  
            // 1. 读取请求并解析    
            if(!scanner.hasNext()){  
                //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 "末尾"  
                break;  
            }          
            // 2. 根据请求计算响应  
            // 3. 把响应写回给客户端  
        }  
    }catch (IOException e){  
        e.printStackTrace();  
    }    
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
}
  • 当 scanner 无法读取出数据时（scanner 没有下一个数据了），说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读到了末尾，就进行 break
    • 在这个判断的外面（try/catch 外面）加上日志，当数据读完后 break 了，就打印日志
2. 根据请求计算响应

由于是回显服务器，所以请求就是响应，process 就是直接 return request

java 复制代码 
//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  
    //打印客户端信息  
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
    try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
        Scanner scanner = new Scanner(inputStream); 
        //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  
        while(true) {  
            // 1. 读取请求并解析   
            if(!scanner.hasNext()){  
                //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 "末尾"  
                break;  
            }          
            // 2. 根据请求计算响应  
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回给客户端  
        }  
    }catch (IOException e){  
        e.printStackTrace();  
    }    
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  

	private String process(String request) {  
    	return request;  
	}
}
  • 这里的请求就是读取的 InputStream 里面的数据
3. 把响应写回给客户端
java 复制代码 
//针对一个连接，提供处理逻辑  
private void processConnection(Socket clientSocket) {  
    //打印客户端信息  
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
    try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
        Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  
        //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  
        PrintWrite printWriter = new PrintWriter(outputStream);
        
        while(true) {  
            // 1. 读取请求并解析  
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  
            if(!scanner.hasNext()){  
                //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 "末尾"  
                break;  
            }          
            // 2. 根据请求计算响应  
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回给客户端  
            printWriter.println(response);
        }  
    }catch (IOException e){  
        e.printStackTrace();  
    }    
    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  

	private String process(String request) {  
    	return request;  
	}
}
  • 此处写入响应的时候，会在末尾加上"\n"
    • 我们在刚才在使用 scanner 读取请求的时候，隐藏了一个条件------请求是以"空白符"（空格、回车、制表符、垂直制表符、翻页符...）结尾，否则就会在 next() 或者 hasNext() 那里发生阻塞，这样就没法读取到数据了
    • 因此此处约定，使用"\n"作为请求和响应的结尾标志
  • TCP 是字节流的，读写方式存在无数种可能，就需要有办法区分出，从哪里到哪里是一个完整的请求
    • 此处就可以引入分隔符来区分

3. 完整代码

java 复制代码 
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  
import java.io.OutputStream;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.ServerSocket;  
import java.net.Socket;  
import java.util.Scanner;  
  
public class TcpEchoServer {  
    private ServerSocket serverSocket= null;  
  
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {  
        serverSocket = new ServerSocket(port);  
    }  
    
    public void start() throws IOException {  
        while(true) {  
            //建立连接  
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();  
            processConnection(clientSocket);  
        }    
    }  
    //针对一个连接，提供处理逻辑  
    private void processConnection(Socket clientSocket) {  
        //打印客户端信息  
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  
            //使用 Scanner 包装一下 InputStream，就可以更方便地读取这里的请求数据了  
            while(true) {  
                // 1. 读取请求并解析  
                if(!scanner.hasNext()){  
                    //如果 scanner 无法读取数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 "末尾"  
                    break;  
                }                
                String request = scanner.next();  
                // 2. 根据请求计算响应  
                String response = process(request);  
                // 3. 把响应写回给客户端  
                printWriter.println(response);  
  
                System.out.printf("[%s:%d] req=%s; resp=%s\n", clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
  
            }        
        }catch (IOException e){  
            e.printStackTrace();  
        }        
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
    }  
    private String process(String request) {  
        return request;  
    }  
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);  
        server.start();  
    }
}

虽然把服务器代码编写的差不多了，但还存在三个非常严重的问题，都会导致严重的 bug

但需要结合后面客户端的代码进行分析

客户端（Echo Client）

1. 构造方法

首先创建一个 Socket 对象，来进行网络通信，再创建构造方法

java 复制代码 
import java.io.IOException;  
import java.net.Socket;  
  
public class TcpEchoClient {  
    private Socket socket = null;  
  
    public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {  
        socket = new Socket(serverIp,serverPort);  
    }
}
  • 写构造方法的时候，就不能使用无参数的版本了，需要在这里指定要访问的服务器的 IP 和端口号
    • 这里可以直接填入一个 String 类型的 IP，不用像前面 UDP 那样还需要手动转换

2. 启动客户端

  • 先拿出 socket 里面的 InputStream 和 OutputStream，再进行 while 循环
  • 使用 Scanner 包装一下 InputStream，这样就可以更方便地读取这里的请求数据了
  • 实例化一个 PrintWriter 对象，获取到 OutputStream，方便后续对数据进行打印
  • 创建一个 scannerIn 对象，用来读取从控制台输入的数据
java 复制代码 
public void start() {  
    System.out.println("客户端启动！");  
    try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {  
        
        Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  
        Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);  
        PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  
  
        while(true){  
            //1. 从控制台读取数据  
            System.out.println("-> ");  
            String request = scannerIn.next();  
            //2. 把请求发送给服务器  
            printWriter.println(request);  
            //3. 从服务器读取响应  
            if(!scanner.hasNext()){  
                break;  
            }            
            String response = scanner.next();  
            //4. 打印响应结果  
            System.out.println(response);  
        }    
    } catch (Exception e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }
}
  • 步骤上和 UDP 是非常相似的，只不过此处的 API 不一样
  • 前面的 UDP 不管发送也好，接收也罢，都是先去构造一个 DatagramPacket 再去操作，但是对于 TCP 来说，它是纯字节流的操作，就拿字节作为单位进行操作即可
    • 这里为了操作方便，又给这个字节流套上了对应的字符流/工作类，之后再去进行读写，都会非常方便

3. 完整代码

java 复制代码 
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  
import java.io.OutputStream;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.Socket;  
import java.util.Scanner;  
  
public class TcpEchoClient {  
    private Socket socket = null;  
  
    public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {  
        socket = new Socket(serverIp,serverPort);  
    }  
    
    public void start() {  
        System.out.println("客户端启动！");  
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();  
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {  
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  
            Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);  
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  
  
            while(true){  
                //1. 从控制台读取数据  
                System.out.println("-> ");  
                String request = scannerIn.next();  
                //2. 把请求发送给服务器  
                printWriter.println(request);  
                //3. 从服务器读取响应  
                if(!scanner.hasNext()){  
                    break;  
                }                
                String response = scanner.next();  
                //4. 打印响应结果  
                System.out.println(response);  
            }        
        } catch (Exception e) {  
            throw new RuntimeException(e);  
        }    
    }  
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);  
        client.start();  
    }
}

服务器代码中的三个严重 bug

1. 内存缓冲区

  1. 客户端发送了数据之后，并没有任何响应
    此处的情况是，客户端并没有真正的将数据发送出去，服务器没有收到，自然没有任何响应
java 复制代码 
//这是客户端中，将数据发送给服务器的代码  
printWriter.println(request);

//这是服务器中，把响应写回给客户端的代码 
printWriter.println(response);
  • PrintWriter 这样的类，以及很多 IO 流中的类，都是"自带缓冲区"的
    • 进行文件/网络操作，都是 IO 操作，IO 操作本身是一种耗时比较多，开销比较大的操作。耗时比较多的操作频繁进行，就会影响程序执行效率，所以我们可以引入"缓冲区"，减少 IO 的次数，从而提高效率
    • 引入"缓冲区"之后，进行写入操作，不会立即触发 IO，而是先放到内存缓冲区中，等到缓冲区里攒了一波之后，再统一进行发送
  • 此处可以引入 flush 操作，主动"刷新缓冲区"
    • flush 的原意为"冲刷"，类似于冲厕所

改为：

java 复制代码 
// 客户端  
printWriter.println(request);
printWriter.flush();

// 服务器 
printWriter.println(response);
printWriter.flush();

2. 资源释放

  1. 当前的服务器代码，针对 clientSocket 没有进行 close 操作
java 复制代码 
while(true) {  
    //建立连接  
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();  
    processConnection(clientSocket);  
}
  • 像 ServerSocket 和 DatagramPacket，它们的生命周期都是跟随整个进程的，和进程同生死，进程关了之后他俩对应的资源也释放了
  • 但此处的 clientSocket 并非如此，它是"连接级别"的数据，随着客户端断开连接了，这个 Socket 也就不再使用了，但资源是不释放的
    • 即使是同一个客户端，断开之后，重新连接，也是一个新 Socket，和旧的 Socket 不是同一个了
    • 因此，这样的 Socket 就应该主动关闭掉，避免文件资源泄露

改后：

把 close 加到 finally 里面，把日志前移（不然释放之后日志就打印不出来了）

java 复制代码 
private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {  
    
    try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();  
        OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){  
        ...
        while(true) {  
            ...
        }    
    }catch (IOException e){  
        e.printStackTrace();  
    }finally {  
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());  
        clientSocket.close();  
    }
}

GC 释放的是内存资源，此处讨论的"文件资源泄露"是针对文件描述符的

  • 其实，流对象如果被 GC 回收了，也是会自动执行 close 的，但是由于 GC 过程是不可逆的（不知道 GC 什么时候发生，也不知到这次 GC 是否能释放掉你这个对象）
  • 一个对象可能不会很及时释放，在有些情况下，在还没来得及释放的时候，就导致这里的文件描述符就没了
  • 因此，我们写代码不能全指望这个东西，尤其是当前"高并发"服务器的背景下，短时间内就可能处理大量的客户端

3. 多个客户端连接同一个服务器

  1. 尝试使用多个客户端来同时连接服务器
    作为一个服务器，就是要同时给多个客户端提供服务的
  • 当第一个客户端连上服务器之后，服务器代码救护已进入 processConnect 内部的 while 循环，无法跳出
  • 此时第二个客户端尝试连接的时候，无法执行到第二次 accept
  • 所有第二个客户端发来的请求数据，都积压在操作系统的内核的接收缓冲区中
    第一个客户端推出的时候，processConnect 的循环就结束了，于是外层的循环就可以执行 accept 了，也是就可以处理第二个客户端之前积压的请求数据了
  • 此处无法处理多个客户端，本质上是服务器代码结构存在问题
  • 采取了双重 while 循环的写法，导致进入里层 while 的时候，外层 while 就无法执行了
  • 解决办法就是：把双重 while 改成一重 while，分别进行执行------使用多线程

改后：

java 复制代码 
public void start() throws IOException {  
    while(true) {  
        //建立连接  
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();  
        Thread t = new Thread(() -> {  
            try {  
                processConnection(clientSocket);  
            } catch (IOException e) {  
                throw new RuntimeException(e);  
            }        
        });        
        t.start();  
    }
}
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