使用 Java 在服务器应用程序和 Matlab 客户端之间进行套接字通信

Question

我有一个编写的 C++ 服务器应用程序，我希望能够从 Matlab 控制它。到目前为止，我已经使用 mex 函数进行套接字通信，但我想放弃 mex 函数并直接在 m 文件中使用内联 Java。这将是一个更加简化的解决方案。

我的基于 C++ 的独立应用程序需要一条消息，其中包含按以下顺序排列的数据。 。 。

协议的这一部分是固定的，无法更改：

• uint32 magic_number - 这是一个幻数 (445566)，必须位于 消息的开头或消息的其余部分将被忽略。

• uint32 num_bytes - 这是消息块其余部分使用的字节数 （不包括这最初的 8 个字节）

这部分协议是我设计的，可以更改：

• 接下来是由 4 个 uint8 值组成的标头（如 ipv4 地址） 向应用程序发送以下数据代表的信息（如果有任何数据）

• 在此之后，剩余的字节可以代表许多不同的事物。 最常见的是一个字符串（键值），后跟一长浮点值数组（音频数据）。但是，可能只是一个字符串，或者它们可能只是一个浮点值数组。 4 个 uint8 值让服务器知道这里会发生什么。

正如你所看到的，我目前正在将所有内容压缩到一个 uint8 数组中（一个巨大的组合）。这是因为 java“write”函数需要一个字节数组，而 Matlab uint8 数组是兼容的数据类型，正如我在使用 Mathworks 网站 将数据传递给 Java 方法

我不是 Java 程序员，但我已经设法获得了一些非常简单的通信代码今天下午跑步。谁能帮助我让这个变得更好？

import java.net.Socket
import java.io.*

mySocket = Socket('localhost', 12345);
output_stream   = mySocket.getOutputStream;
d_output_stream = DataOutputStream(output_stream);


data = zeros(12,1,'uint8');

%Magic key: use this combination of uint8s to make
% a uint32 value of = 445566 -> massive code-smell
data(1) = 126;
data(2) = 204;
data(3) = 6;

%Size of message block:
%total number of bytes in following message including header
%This is another uint32 i.e. (data(5:8))

data(5) = 4;

%header B: a group of 4 uint8s
data(9) = 1;
data(10) = 2;
data(11) = 3;
data(12) = 4;

%Main block of floats
%????


d_output_stream.write(data,0,numel(data));


pause(0.2);
mySocket.close;

我尝试过发送一个由我想要发送的数据的不同部分组成的 java 对象，但我不确定它们最终如何在内存中排序。在 C/C++ 中，很容易将不同的数据类型附加到连续的内存块中，然后发送它。有没有一种简单的方法可以让我在 Java 中做到这一点？我最终也想使通信成为双向的，但这可以等等。感谢您的阅读。

Answer 1

这里至少有两个单独的问题。一是如何构建使用这样的协议的 Matlab 代码。另一个是如何在您拥有的有线协议中表示可能复杂的数据。

至于组织 Matlab 代码，您可以使用类以更结构化的方式组织消息，并使用 typecast 将数字转换为字节。也许是这样的。这假设您的客户端和服务器具有相同的原始类型的本机表示，并忽略网络字节排序（htonl/ntohl）。

classdef learnvst_message
    %//LEARNVST_MESSAGE Message for learnvst's example problem
    %
    % Examples:
    % msg = learnvst_message;
    % msg.payload = { 'Hello world', 1:100 }
    % msg.payloadType = uint8([ 5 12 0 0 ]);  % guessing on this

    properties
        magicNumber = uint32(445566);
        payloadType = zeros(4, 1, 'uint8');  %// header B
        payload = {};
    end

    methods
        function out = convertPayload(obj)
        %//CONVERTPAYLOAD Converts payload to a single array of bytes
        byteChunks = cellfun(@convertPayloadElement, obj.payload, 'UniformOutput',false);
        out = cat(2, byteChunks{:});
        end

        function out = marshall(obj)
        payloadBytes = convertPayload(obj);
        messageSize = uint32(4 + numel(payloadBytes)); %// ex first 8 bytes
        out.headerBytes = [
            typecast(obj.magicNumber, 'uint8') ...
            obj.payloadType ...
            typecast(messageSize, 'uint8')];
        out.payloadBytes = payloadBytes;
        end

        function sendTo(obj, host, port)
        m = marshall(obj);
        mySocket = Socket(host, port);
        d_output = mySocket.getOutputStream();
        d_output.write(m.headerBytes, 0, numel(m.headerBytes));
        d_output.write(m.messageBytes, 0, numel(m.messageBytes));
        mySocket.close();
        end

    end
end

function out = convertPayloadElement(x)
if isnumeric(x)
    out = typecast(x, 'uint8');
elseif ischar(x)
    % Assumes receiver likes 16-bit Unicode chars
    out = typecast(uint16(x), 'uint8');
else
    % ... fill in other types here ...
    % or define a payload_element class that marshalls itself and call
    % it polymorphically
    error('Unsupported payload element type: %s', class(x));
end
end

我认为更具可读性，并且代码味道更少。作为调用者，您可以以更结构化的形式处理数据，并且它将到类的编组方法内的线协议字节的转换封装起来。 “convertPayload”就是“将由许多不同数据类型组成的通用内存块缝合在一起”。在 Matlab 中，uint8 数组是一种将不同数据类型的表示形式附加到连续内存块中的方法。它基本上是一个 unsigned char [] 的包装器，具有自动重新分配功能。 typecast(...,'uint8') 相当于在 C/C++ 中对 char * 进行重新解释转换。查看他们两个的帮助。

但这带来了更多问题。服务器如何知道有效负载的每个组件的长度、它们的形状（如果是多维的）以及它们各自的类型是什么？或者如果它们是复杂的数据类型怎么办——它们可以嵌套吗？您可能需要在每个有效负载元素中嵌入小标头。上面的代码假设 4 字节有效负载类型标头完整地描述了有效负载内容。

听起来您正在寻找的可能是一种基于异构数组的数据的自描述格式。已有可用的格式，包括 NetCDF、HDF5 和 Matlab 自己的 MAT 文件。 Matlab 内置了对它们的支持，或者您可以为它们引入第三方 Java 库。

就速度而言——每次跨越 Matlab/Java 边界传递数据时，您都必须付费。大型原始数组的转换成本相对较低，因此您可能希望在将消息传递给 Java 之前将大部分消息打包到 Matlab 中的字节数组中，而不是进行大量单独的 write() 调用。实际上，这取决于您的数据有多大和复杂程度。请参阅 MATLAB OOP 速度慢还是我做错了什么吗？ 粗略了解一些 Matlab 操作（包括 Java 调用）的成本。 （全面披露：这是一个自插头。）