多线程与socket

以下摘要由GPT-4o生成:
JAVA中的Socket编程主要分为TCP和UDP两种类型。TCP采用ServerSocket监听特定端口并接受客户端连接，创建Socket对象进行通信；而UDP则使用DatagramSocket和DatagramPacket发送接收独立数据包。与C语言网络编程相比，Java的设计允许高并发和可扩展性，主线程通过循环不断接受新连接，并将每个连接交给新的子线程处理，从而避免阻塞。此外，这种做法也实现了状态隔离，使得每个Socket对象维护其客户端的信息，符合面向对象设计原则。为了提高性能，建议采用线程池技术，以减少频繁创建和销毁线程所带来的开销。这些措施共同提升了服务器同时服务多个客户端的能力。

java 中的 socket

先了解 Java 中的 net包中的主要方法

1. TCP 相关 (面向连接):
   • ServerSocket: 用于服务器端。它的核心职责是在服务器上监听一个特定的端口，等待客户端的连接请求。
   • Socket: 用于客户端或服务器端。它代表了一个网络连接的两端中的一端。一旦服务器通过 ServerSocket 接受了一个连接，就会得到一个 Socket 对象，该对象代表了与那个特定客户端的专用通信通道。客户端为了发起连接，也会创建一个 Socket 对象。
2. UDP 相关 (无连接):
   • DatagramSocket: 用于发送和接收UDP数据报。与TCP不同，它不建立持久连接，每个数据包都是独立发送的。
   • DatagramPacket: 代表一个UDP数据报。无论是发送还是接收，数据都必须封装在这个对象里。

对c语言的网络编程socket对比

C 语言函数 (服务器端)	Java 对等操作	解释
socket() + bind()	new ServerSocket(port)	C语言中需要先创建一个套接字描述符，再将它绑定到地址和端口。Java的 ServerSocket 构造函数将这两步合二为一了。
listen()	(隐含在 ServerSocket 中)	在C中，listen() 将套接字置为被动监听模式，并指定等待连接的队列大小。在Java中，ServerSocket 对象一旦创建成功，就处于可以接受连接的状态，其构造函数也有一个版本可以指定这个队列大小（backlog）。
accept()	serverSocket.accept()	这是最关键的对应。两者都会阻塞程序，直到一个客户端连接进来。两者都会返回一个新的东西来代表这个连接：C返回一个新的文件描述符 (int)，Java返回一个新的Socket 对象。核心思想完全一致。
send() / write()	socket.getOutputStream().write(byte[])	通过返回的新 Socket 对象的输出流来发送数据。
recv() / read()	socket.getInputStream().read(byte[])	通过返回的新 Socket 对象的输入流来接收数据。

C 语言函数 (客户端)	Java 对等操作	解释
socket() + connect()	new Socket(host, port)	C语言中客户端先创建一个套接字，再调用 connect 去连接服务器。Java的 Socket 构造函数将这两步合二为一了，创建一个对象的同时就发起了连接。

通过上述解释我们可以发现一个核心点:

Java 与 c中server在接受一个socket客户端的时候都会基于这个socket去创建一个新的socket描述，那我们为什么要这样做呢？为什么不直接让Java中的 ServerSocket创建的服务端套接字直接去处理客户端的请求呢？

其实这是为了

• 实现高并发和可扩展 : 主线程可以拥有一个 ServerSocket 循环地、不停地接受新连接。每接受一个，就把它丢给一个新的线程（或线程池中的一个线程）去处理。这样，监听线程永远不会因为处理具体的数据读写而被阻塞，使得服务器可以同时为成百上千的客户端提供服务。
• 进行状态隔离: 每个socket对象都包含了与之对应的客户端的状态信息，比如ip地址，端口号，输入输出流，这种设计将会话隔离开，互不干扰，代码逻辑清晰明了。
• 清晰的面向对象设计:ServerSocket 类负责服务端级别的监听，Socket类负责数据的通信，符合单一职责原则。

并发性与扩展性

通过上面的描述我们知道了ServerSocket类可以进行accept阻塞等待新的客户端连接，每当新的客户端连接的时候会创建一个新的socket对象，里面包括客户端的ip，端口等信息。

但是如果服务端使用Server Socket的accept方法阻塞等待后只创建一个socket的话，那么后续其他客户端将无法连接到服务端，即便我们使用了while循环，但实际这个socket只保存了第一个客户的状态信息。

那么我们可以基于此处进行扩展，每当创建一个新的socket后，我们将这个socket交给子线程去处理，每个子线程实现与不同的客户端进行对接，从而避免主线程一直处理第一个客户端，其他客户端不能连接的情况。

• 服务端主函数代码

package com.mcc.socket;

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args)  {
        try {
            ServerSocket ss = new ServerSocket(8080);
            while (true) {
                Socket socket = ss.accept();
                new Thread(new ServerReader(socket)).start();//start()启动一个子线程并且执行run任务方法
            }
        } catch (Exception e) {
           System.out.println("发生错误: " + e.getMessage());
        }
    }
}

• 子线程处理代码:

package com.mcc.socket;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;

public class ServerReader extends Thread{
    private Socket socket;

    public ServerReader(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    public void run() {
        try {
            InputStream is = socket.getInputStream();
            DataInputStream dis = new DataInputStream(is);

            while (true) {
                String msg = dis.readUTF();
                System.out.println("\n收到客户端消息：" + msg);
                System.out.printf("客户端地址：%s:%d\n", socket.getInetAddress(), socket.getPort());
                System.out.printf("----------------------------------------------");
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }
}

• 客户端代码:

package com.mcc.socket;

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

import static java.net.InetAddress.getLocalHost;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args)  {
        try {
            Socket socket = new Socket(getLocalHost(), 8080);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();//得到字节输出流
            DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);//创建数据输出流
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            while (true){
                System.out.printf("请输入要发送的内容：");
                String msg = sc.nextLine();
                if (msg.equals("exit")){
                   break;
                }
                dos.writeUTF(msg);
           }
            dos.flush();
            os.close();
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            System.out.printf("客户端异常或服务端关闭连接：%s",e.getMessage());
        }
    }
}

通过上述代码，我们既然知道了可以进行创建子线程来处理不同客户端的请求，那么我们不妨进一步升级，采用可以线程复用的线程池技术，避免频繁的创建与销毁线程带来的性能损失

只需要增加线程池部分代码:

package com.mcc.socket;

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args)  {
        try {
            ServerSocket ss = new ServerSocket(8080);
            ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(
                    3, 10, 10L, TimeUnit.SECONDS,
                    new ArrayBlockingQueue<>(100),
                    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
            //核心线程数，最大线程数，临时线程多久不用关闭时间，工作队列，无法处理任务的中断策略
            while (true) {
                Socket socket = ss.accept();
                pool.execute(new ServerReader(socket));
            }
        } catch (Exception e) {
           System.out.println("发生错误: " + e.getMessage());
        }
    }
}

这样，我们就学到了如何利用多线程技术处理多客户端，以及基于线程池的线程复用技术。