手把手教你写 Socket 长连接

Question

本篇我们先简单了解一下 TCP/IP，然后通过实现一个 echo 服务器来学习 Java 的 Socket API。最后我们聊聊偏高级一点点的 socket 长连接和协议设计。

TCP/IP 协议简介

IP

首先我们看 IP（Internet Protocol）协议。IP 协议提供了主机和主机间的通信。

为了完成不同主机的通信，我们需要某种方式来唯一标识一台主机，这个标识，就是著名的IP 地址。通过 IP 地址，IP 协议就能够帮我们把一个数据包发送给对方。

TCP

前面我们说过，IP 协议提供了主机和主机间的通信。TCP 协议在 IP 协议提供的主机间通信功能的基础上，完成这两个主机上进程对进程的通信。

有了 IP，不同主机就能够交换数据。但是，计算机收到数据后，并不知道这个数据属于哪个进程（简单讲，进程就是一个正在运行的应用程序）。TCP 的作用就在于，让我们能够知道这个数据属于哪个进程，从而完成进程间的通信。

为了标识数据属于哪个进程，我们给需要进行 TCP 通信的进程分配一个唯一的数字来标识它。这个数字，就是我们常说的端口号。

TCP 的全称是 Transmission Control Protocol，大家对它说得最多的，大概就是面向连接的特性了。之所以说它是有连接的，是说在进行通信前，通信双方需要先经过一个三次握手的过程。三次握手完成后，连接便建立了。这时候我们才可以开始发送/接收数据。（与之相对的是 UDP，不需要经过握手，就可以直接发送数据）。

下面我们简单了解一下三次握手的过程。

tcp-three-way-handshake

1. 首先，客户向服务端发送一个 SYN ，假设此时 sequence number 为 x 。这个 x 是由操作系统根据一定的规则生成的，不妨认为它是一个随机数。
2. 服务端收到 SYN 后，会向客户端再发送一个 SYN ，此时服务器的 seq number = y 。与此同时，会 ACK x+1 ，告诉客户端“已经收到了 SYN ，可以发送数据了”。
3. 客户端收到服务器的 SYN 后，回复一个 ACK y+1 ，这个 ACK 则是告诉服务器， SYN 已经收到，服务器可以发送数据了。

经过这 3 步，TCP 连接就建立了。这里需要注意的有三点：

1. 连接是由客户端主动发起的
2. 在第 3 步客户端向服务器回复 ACK 的时候，TCP 协议是允许我们携带数据的。之所以做不到，是 API 的限制导致的。
3. TCP 协议还允许 “四次握手” 的发生，同样的，由于 API 的限制，这个极端的情况并不会发生。

TCP/IP 相关的理论知识我们就先了解到这里。关于 TCP，还有诸如可靠性、流量控制、拥塞控制等非常有趣的特性，强烈推荐读者看一看 Richard 的名著《TCP/IP 详解 - 卷 1》（注意，是第 1 版，不是第 2 版）。

下面我们看一些偏实战的东西。

Socket 基本用法

Socket 是 TCP 层的封装，通过 socket，我们就能进行 TCP 通信。

在 Java 的 SDK 中，socket 的共有两个接口：用于监听客户连接的 ServerSocket 和用于通信的 Socket 。使用 socket 的步骤如下：

1. 创建 ServerSocket 并监听客户连接
2. 使用 Socket 连接服务端
3. 通过 Socket 获取输入输出流进行通信

下面，我们通过实现一个简单的 echo 服务来学习 socket 的使用。所谓的 echo 服务，就是客户端向服务端写入任意数据，服务器都将数据原封不动地写回给客户端。

1. 创建 ServerSocket 并监听客户连接

public class EchoServer {

    private final ServerSocket mServerSocket;

    public EchoServer(int port) throws IOException {
        
        mServerSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void run() throws IOException {
        
        Socket client = mServerSocket.accept();
        handleClient(client);
    }

    private void handleClient(Socket socket) {
        
    }


    public static void main(String[] argv) {
        try {
            EchoServer server = new EchoServer(9877);
            server.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2. 使用 Socket 连接服务端

public class EchoClient {

    private final Socket mSocket;

    public EchoClient(String host, int port) throws IOException {
        
        mSocket = new Socket(host, port);
    }

    public void run() {
        
    }


    public static void main(String[] argv) {
        try {
            
            EchoClient client = new EchoClient("localhost", 9877);
            client.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3. 通过 socket 获取输入/输出流进行通信

首先，我们来实现服务端：

public class EchoServer {
    

    private void handleClient(Socket socket) throws IOException {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int n;
        while ((n = in.read(buffer)) > 0) {
            out.write(buffer, 0, n);
        }
    }
}

可以看到，服务端的实现其实很简单，我们不停地读取输入数据，然后写回给客户端。

下面我们看看客户端。

public class EchoClient {
    

    public void run() throws IOException {
        Thread readerThread = new Thread(this::readResponse);
        readerThread.start();

        OutputStream out = mSocket.getOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int n;
        while ((n = System.in.read(buffer)) > 0) {
            out.write(buffer, 0, n);
        }
    }

    private void readResponse() {
        try {
            InputStream in = mSocket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int n;
            while ((n = in.read(buffer)) > 0) {
                System.out.write(buffer, 0, n);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端会稍微复杂一点点，在读取用户输入的同时，我们又想读取服务器的响应。所以，这里创建了一个线程来读服务器的响应。

不熟悉 lambda 的读者，可以把
Thread readerThread = new Thread(this::readResponse)
换成下面这个代码：

Thread readerThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        readResponse();
    }
});

打开两个 terminal 分别执行如下命令：

$ javac EchoServer.java
$ java EchoServer

$ javac EchoClient.java
$ java EchoClient
hello Server
hello Server
foo
foo

在客户端，我们会看到，输入的所有字符都打印了出来。

最后需要注意的有几点：

1. 在上面的代码中，我们所有的异常都没有处理。实际应用中，在发生异常时，需要关闭 socket，并根据实际业务做一些错误处理工作
2. 在客户端，我们没有停止 readThread 。实际应用中，我们可以通过关闭 socket 来让线程从阻塞读中返回。推荐读者阅读《Java 并发编程实战》
3. 我们的服务端只处理了一个客户连接。如果需要同时处理多个客户端，可以创建线程来处理请求。这个作为练习留给读者来完全。

Socket、ServerSocket 傻傻分不清楚

在进入这一节的主题前，读者不妨先考虑一个问题：在上一节的实例中，我们运行 echo 服务后，在客户端连接成功时，一个有多少个 socket 存在？

答案是 3 个 socket。客户端一个，服务端有两个。跟这个问题的答案直接关联的是本节的主题—— Socket 和 ServerSocket 的区别是什么。

眼尖的读者，可能会注意到在上一节我是这样描述他们的：

在 Java 的 SDK 中，socket 的共有两个接口：用于监听客户连接的 ServerSocket 和用于通信的 Socket 。

注意，我只说 ServerSocket 是用于监听客户连接，而没有说它也可以用来通信。下面我们来详细了解一下他们的区别。

注：以下描述使用的是 UNIX/Linux 系统的 API

首先，我们创建 ServerSocket 后，内核会创建一个 socket。这个 socket 既可以拿来监听客户连接，也可以连接远端的服务。由于 ServerSocket 是用来监听客户连接的，紧接着它就会对内核创建的这个 socket 调用 listen 函数。这样一来，这个 socket 就成了所谓的 listening socket，它开始监听客户的连接。

接下来，我们的客户端创建一个 Socket ，同样的，内核也创建一个 socket 实例。内核创建的这个 socket 跟 ServerSocket 一开始创建的那个没有什么区别。不同的是，接下来 Socket 会对它执行 connect ，发起对服务端的连接。前面我们说过，socket API 其实是 TCP 层的封装，所以 connect 后，内核会发送一个 SYN 给服务端。

现在，我们切换角色到服务端。服务端的主机在收到这个 SYN 后，会创建一个新的 socket，这个新创建的 socket 跟客户端继续执行三次握手过程。

三次握手完成后，我们执行的 serverSocket.accept() 会返回一个 Socket 实例，这个 socket 就是上一步内核自动帮我们创建的。

所以说，在一个客户端连接的情况下，其实有 3 个 socket。

关于内核自动创建的这个 socket，还有一个很有意思的地方。它的端口号跟 ServerSocket 是一毛一样的。咦！！不是说，一个端口只能绑定一个 socket 吗？其实这个说法并不够准确。

前面我说的 TCP 通过端口号来区分数据属于哪个进程的说法，在 socket 的实现里需要改一改。Socket 并不仅仅使用端口号来区别不同的 socket 实例，而是使用 <peer addr:peer port, local addr:local port> 这个四元组。

在上面的例子中，我们的 ServerSocket 长这样： <*:*, *:9877> 。意思是，可以接受任何的客户端，和本地任何 IP。

accept 返回的 Socket 则是这样：
<127.0.0.1:xxxx, 127.0.0.1:9877> ，其中 xxxx 是客户端的端口号。

如果数据是发送给一个已连接的 socket，内核会找到一个完全匹配的实例，所以数据准确发送给了对端。

如果是客户端要发起连接，这时候只有 <*:*, *:9877> 会匹配成功，所以 SYN 也准确发送给了监听套接字。

Socket/ServerSocket 的区别我们就讲到这里。如果读者觉得不过瘾，可以参考《TCP/IP 详解》卷 1、卷 2。

Socket 长连接的实现

背景知识

Socket 长连接，指的是在客户和服务端之间保持一个 socket 连接长时间不断开。

比较熟悉 Socket 的读者，可能知道有这样一个 API：

socket.setKeepAlive(true);

嗯……keep alive，“保持活着”，这个应该就是让 TCP 不断开的意思。那么，我们要实现一个 socket 的长连接，只需要这一个调用即可。

遗憾的是，生活并不总是那么美好。对于 4.4BSD 的实现来说，Socket 的这个 keep alive 选项如果打开并且两个小时内没有通信，那么底层会发一个心跳，看看对方是不是还活着。

注意，两个小时才会发一次。也就是说，在没有实际数据通信的时候，我把网线拔了，你的应用程序要经过两个小时才会知道。

在说明如果实现长连接前，我们先来理一理我们面临的问题。假定现在有一对已经连接的 socket，在以下情况发生时候，socket 将不再可用：

1. 某一端关闭是 socket（这不是废话吗）。主动关闭的一方会发送 FIN ，通知对方要关闭 TCP 连接。在这种情况下，另一端如果去读 socket，将会读到 EoF （End of File）。于是我们知道对方关闭了 socket。
2. 应用程序奔溃。此时 socket 会由内核关闭，结果跟情况 1 一样。
3. 系统奔溃。这时候系统是来不及发送 FIN 的，因为它已经跪了。此时对方无法得知这一情况。对方在尝试读取数据时，最后会返回 read time out。如果写数据，则是 host unreachable 之类的错误。
4. 电缆被挖断、网线被拔。跟情况 3 差不多，如果没有对 socket 进行读写，两边都不知道发生了事故。跟情况 3 不同的是，如果我们把网线接回去，socket 依旧可以正常使用。

在上面的几种情形中，有一个共同点就是，只要去读、写 socket，只要 socket 连接不正常，我们就能够知道。基于这一点，要实现一个 socket 长连接，我们需要做的就是不断地给对方写数据，然后读取对方的数据，也就是所谓的心跳。只要心还在跳，socket 就是活的。写数据的间隔，需要根据实际的应用需求来决定。

心跳包不是实际的业务数据，根据通信协议的不同，需要做不同的处理。

比方说，我们使用 JSON 进行通信，那么，我们可以加一个 type 字段，表面这个 JSON 是心跳还是业务数据。

{
    "type": 0,  // 0 表示心跳

    // ...
}

使用二进制协议的情况类似。要求就是，我们能够区别一个数据包是心跳还是真实数据。这样，我们便实现了一个 socket 长连接。

实现示例

这一小节我们一起来实现一个带长连接的 Android echo 客户端。

首先了接口部分：

public final class LongLiveSocket {

    
    public interface ErrorCallback {
        /**
         * 如果需要重连，返回 true
         */
        boolean onError();
    }

    /**
     * 读数据回调
     */
    public interface DataCallback {
        void onData(byte[] data, int offset, int len);
    }

    /**
     * 写数据回调
     */
    public interface WritingCallback {
        void onSuccess();
        void onFail(byte[] data, int offset, int len);
    }


    public LongLiveSocket(String host, int port,
                          DataCallback dataCallback, ErrorCallback errorCallback) {
    }

    public void write(byte[] data, WritingCallback callback) {
    }

    public void write(byte[] data, int offset, int len, WritingCallback callback) {
    }

    public void close() {
    }
}

我们这个支持长连接的类就叫 LongLiveSocket 好了。如果在 socket 断开后需要重连，只需要在对应的接口里面返回 true 即可（在真实场景里，我们还需要让客户设置重连的等待时间，还有读写、连接的 timeout 等。为了简单，这里就直接不支持了。

另外需要注意的一点是，如果要做一个完整的库，需要同时提供阻塞式和回调式 API。同样由于篇幅原因，这里直接省掉了。

首先我们看看 write() 方法：

public void write(byte[] data, int offset, int len, WritingCallback callback) {
    mWriterHandler.post(() -> {
        Socket socket = getSocket();
        if (socket == null) {
            // initSocket 失败而客户说不需要重连，但客户又叫我们给他发送数据
            throw new IllegalStateException("Socket not initialized");
        }
        try {
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(outputStream);
            out.writeInt(len);
            out.write(data, offset, len);
            callback.onSuccess();
        } catch (IOException e) {
            Log.e(TAG, "write: ", e);
            // 关闭 socket，避免资源泄露
            closeSocket();
            // 这里我们把发生失败的数据返回给客户端，这样客户可以更方便地重新发送数据
            callback.onFail(data, offset, len);
            if (!closed() && mErrorCallback.onError()) {
                // 重连
                initSocket();
            }
        }
    });
}

由于我们需要定时写心跳，这里使用一个 HandlerThread 来处理写请求。通信使用的协议，只是简单地在用户数据前加一个 len 字段，用于确定消息的长度。

下面我们看心跳的发送：

private final Runnable mHeartBeatTask = new Runnable() {
    private byte[] mHeartBeat = new byte[0];

    @Override
    public void run() {
        // 我们使用长度为 0 的数据作为 heart beat
        write(mHeartBeat, new WritingCallback() {
            @Override
            public void onSuccess() {
                // 每隔 HEART_BEAT_INTERVAL_MILLIS 发送一次
                mWriterHandler.postDelayed(mHeartBeatTask, HEART_BEAT_INTERVAL_MILLIS);
                mUIHandler.postDelayed(mHeartBeatTimeoutTask, HEART_BEAT_TIMEOUT_MILLIS);
            }

            @Override
            public void onFail(byte[] data, int offset, int len) {
                // nop
                // write() 方法会处理失败
            }
        });
    }
};

private final Runnable mHeartBeatTimeoutTask = () -> {
    Log.e(TAG, "mHeartBeatTimeoutTask#run: heart beat timeout");
    closeSocket();
};

发送心跳使用我们上面实现的 write() 方法。在发送成功后，post delay 一个 timeout task，如果到期后还没收到服务器的响应，我们将认为 socket 出现异常，这里直接关闭 socket。最后是对心跳的处理：

int nbyte = in.readInt();
if (nbyte == 0) {
    Log.i(TAG, "readResponse: heart beat received");
    mUIHandler.removeCallbacks(mHeartBeatTimeoutTask);
}

由于用户数据的长度总是会大于 1，这里我们就使用 len == 0 的数据作为心跳。收到心跳后，移除 mHeartBeatTimeoutTask 。

剩余代码跟我们的主题没有太大关系，读者在这里^[3]可以找到完整的代码或者自己完成这个例子。

最后需要说明的是，如果想节省资源，在有客户发送数据的时候可以省略 heart beat。

我们对读出错时候的处理，可能也存在一些争议。读出错后，我们只是关闭了 socket。socket 需要等到下一次写动作发生时，才会重新连接。实际应用中，如果这是一个问题，在读出错后可以直接开始重连。这种情况下，还需要一些额外的同步，避免重复创建 socket。heart beat timeout 的情况类似。

跟 TCP/IP 学协议设计

如果仅仅是为了使用是 socket，我们大可以不去理会协议的细节。之所以推荐大家去看一看《TCP/IP 详解》，是因为它们有太多值得学习的地方。很多我们工作中遇到的问题，都可以在这里找到答案。

以下每一个小节的标题都是一个小问题，建议读者独立思考一下，再继续往下看。如果你发现你的答案比我的更好，请一定发送邮件到 ljtong64 AT gmail DOT com 告诉我。

协议版本如何升级？

有这么一句流行的话：这个世界唯一不变的，就是变化。当我们对协议版本进行升级的时候，正确识别不同版本的协议对软件的兼容非常重要。那么，我们如何设计协议，才能够为将来的版本升级做准备呢？

答案可以在 IP 协议找到。

IP 协议的第一个字段叫 version，目前使用的是 4 或 6，分别表示 IPv4 和 IPv6。由于这个字段在协议的开头，接收端收到数据后，只要根据第一个字段的值就能够判断这个数据包是 IPv4 还是 IPv6。

再强调一下，这个字段在两个版本的 IP 协议都位于第一个字段，为了做兼容处理，对应的这个字段必须位于同一位置。文本协议（如，JSON、HTML）的情况类似。

如何发送不定长数据的数据包

举个例子，我们用微信发送一条消息。这条消息的长度是不确定的，并且每条消息都有它的边界。我们如何来处理这个边界呢？

还是一样，看看 IP。IP 的头部有个 header length 和 data length 两个字段。通过添加一个 len 域，我们就能够把数据根据应用逻辑分开。

跟这个相对的，还有另一个方案，那就是在数据的末尾放置终止符。比方说，想 C 语言的字符串那样，我们在每个数据的末尾放一个 \0 作为终止符，用以标识一条消息的尾部。这个方法带来的问题是，用户的数据也可能存在 \0 。此时，我们就需要对用户的数据进行转义。比方说，把用户数据的所有 \0 都变成 \0\0 。读消息的过程总，如果遇到 \0\0 ，那它就代表 \0 ，如果只有一个 \0 ，那就是消息尾部。

使用 len 字段的好处是，我们不需要对数据进行转义。读取数据的时候，只要根据 len 字段，一次性把数据都读进来就好，效率会更高一些。

终止符的方案虽然要求我们对数据进行扫描，但是如果我们可能从任意地方开始读取数据，就需要这个终止符来确定哪里才是消息的开头了。

当然，这两个方法不是互斥的，可以一起使用。

上传多个文件，只有所有文件都上传成功时才算成功

现在我们有一个需求，需要一次上传多个文件到服务器，只有在所有文件都上传成功的情况下，才算成功。我们该如何来实现呢？

IP 在数据报过大的时候，会把一个数据报拆分成多个，并设置一个 MF （more fragments）位，表示这个包只是被拆分后的数据的一部分。

好，我们也学一学 IP。这里，我们可以给每个文件从 0 开始编号。上传文件的同时，也携带这个编号，并额外附带一个 MF 标志。除了编号最大的文件，所有文件的 MF 标志都置位。因为 MF 没有置位的是最后一个文件，服务器就可以根据这个得出总共有多少个文件。

另一种不使用 MF 标志的方法是，我们在上传文件前，就告诉服务器总共有多少个文件。

如果读者对数据库比较熟悉，学数据库用事务来处理，也是可以的。这里就不展开讨论了。

如何保证数据的有序性

这里讲一个我曾经遇到过的面试题。现在有一个任务队列，多个工作线程从中取出任务并执行，执行结果放到一个结果队列中。先要求，放入结果队列的时候，顺序顺序需要跟从工作队列取出时的一样（也就是说，先取出的任务，执行结果需要先放入结果队列）。

我们看看 TCP/IP 是怎么处理的。IP 在发送数据的时候，不同数据报到达对端的时间是不确定的，后面发送的数据有可能较先到达。TCP 为了解决这个问题，给所发送数据的每个字节都赋了一个序列号，通过这个序列号，TCP 就能够把数据按原顺序重新组装。

一样，我们也给每个任务赋一个值，根据进入工作队列的顺序依次递增。工作线程完成任务后，在将结果放入结果队列前，先检查要放入对象的写一个序列号是不是跟自己的任务相同，如果不同，这个结果就不能放进去。此时，最简单的做法是等待，知道下一个可以放入队列的结果是自己所执行的那一个。但是，这个线程就没办法继续处理任务了。

更好的方法是，我们维护多一个结果队列的缓冲，这个缓冲里面的数据按序列号从小到大排序。工作线程要将结果放入，有两种可能：

1. 刚刚完成的任务刚好是下一个，将这个结果放入队列。然后从缓冲的头部开始，将所有可以放入结果队列的数据都放进去。
2. 所完成的任务不能放入结果队列，这个时候就插入结果队列。然后，跟上一种情况一样，需要检查缓冲。

如果测试表明，这个结果缓冲的数据不多，那么使用普通的链表就可以。如果数据比较多，可以使用一个最小堆。

如何保证对方收到了消息

我们说，TCP 提供了可靠的传输。这样不就能够保证对方收到消息了吗？

很遗憾，其实不能。在我们往 socket 写入的数据，只要对端的内核收到后，就会返回 ACK ，此时，socket 就认为数据已经写入成功。然而要注意的是，这里只是对方所运行的系统的内核成功收到了数据，并不表示应用程序已经成功处理了数据。

解决办法还是一样，我们学 TCP ，添加一个应用层的 APP ACK 。应用接收到消息并处理成功后，发送一个 APP ACK 给对方。

有了 APP ACK ，我们需要处理的另一个问题是，如果对方真的没有收到，需要怎么做？

TCP 发送数据的时候，消息一样可能丢失。TCP 发送数据后，如果长时间没有收到对方的 ACK ，就假设数据已经丢失，并重新发送。

我们也一样，如果长时间没有收到 APP ACK ，就假设数据丢失，重新发送一个。