Java面試Socket程式設計常用引數設定原始碼問題分析

2022-03-10 19:24:14

引導語

Socket 中文翻譯叫通訊端，可能很多工作四五年的同學都沒有用過這個 API，但只要用到這個 API 時，必然是在重要的工程的核心程式碼處。

大家平時基本都在用開源的各種 rpc 框架，比如說 Dubbo、gRPC、Spring Cloud 等等，很少需要手寫網路呼叫，以下三小節可以幫助大家補充這塊的內容，當你真正需要的時候，可以作為手冊範例。

本文和《ServerSocket 原始碼及面試題》一文主要說 Socket 和 ServerSocket 的原始碼，《工作實戰：Socket 結合執行緒池的使用》這章主要說兩個 API 在實際工作中如何落地。

1、Socket 整體結構

Socket 的結構非常簡單，Socket 就像一個殼一樣，將通訊端初始化、建立連線等各種操作包裝了一下，其底層實現都是 SocketImpl 實現的，Socket 本身的業務邏輯非常簡單。

Socket 的屬性不多，有通訊端的狀態，SocketImpl，讀寫的狀態等等，原始碼如下圖：

通訊端的狀態變更都是有對應操作方法的，比如通訊端新建（createImpl 方法）後，狀態就會更改成 created = true，連線（connect）之後，狀態更改成 connected = true 等等。

2、初始化

Socket 的構造器比較多，可以分成兩大類：

指定代理型別（Proxy）建立套節點，一共有三種型別為：DIRECT（直連）、HTTP（HTTP、FTP 高階協定的代理）、SOCKS（SOCKS 代理），三種不同的程式碼方式對應的 SocketImpl 不同，分別是：PlainSocketImpl、HttpConnectSocketImpl、SocksSocketImpl，除了型別之外 Proxy 還指定了地址和埠；

預設 SocksSocketImpl 建立，並且需要在構造器中傳入地址和埠，原始碼如下：

// address 代表IP地址，port 表示通訊端的埠
// address 我們一般使用 InetSocketAddress，InetSocketAddress 有 ip+port、域名+port、InetAddress 等初始化方式
public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException {
    this(address != null ? new InetSocketAddress(address, port) : null,
         (SocketAddress) null, true);
}

這裡的 address 可以是 ip 地址或者域名，比如說 127.0.0.1 或者 www.wenhe.com。

我們一起看一下這個構造器呼叫的 this 底層構造器的原始碼：

// stream 為 true 時，表示為stream socket 流通訊端，使用 TCP 協定，比較穩定可靠，但佔用資源多
// stream 為 false 時，表示為datagram socket 資料包通訊端，使用 UDP 協定，不穩定，但佔用資源少
private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr,
               boolean stream) throws IOException {
    setImpl();
    // backward compatibility
    if (address == null)
        throw new NullPointerException();
    try {
        // 建立 socket
        createImpl(stream);
        // 如果 ip 地址不為空，繫結地址
        if (localAddr != null)
            // create、bind、connect 也是 native 方法
            bind(localAddr);
        connect(address);
    } catch (IOException | IllegalArgumentException | SecurityException e) {
        try {
            close();
        } catch (IOException ce) {
            e.addSuppressed(ce);
        }
        throw e;
    }
}

從原始碼中可以看出：

在構造 Socket 的時候，你可以選擇 TCP 或 UDP，預設是 TCP；
如果構造 Socket 時，傳入地址和埠，那麼在構造的時候，就會嘗試在此地址和埠上建立通訊端；
Socket 的無參構造器只會初始化 SocksSocketImpl，並不會和當前地址埠繫結，需要我們手動的呼叫 connect 方法，才能使用當前地址和埠；
Socket 我們可以理解成網路溝通的語言層次的抽象，底層網路建立、連線和關閉，仍然是 TCP 或 UDP 本身網路協定指定的標準，Socket 只是使用 Java 語言做了一層封裝，從而讓我們更方便地使用。

3、connect 連線伺服器端

connect 方法主要用於 Socket 使用者端連線上伺服器端，如果底層是 TCP 層協定的話，就是通過三次握手和伺服器端建立連線，為使用者端和伺服器端之間的通訊做好準備，底層原始碼如下：

public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException {
}

connect 方法要求有兩個入參，第一個入參是 SocketAddress，表示伺服器端的地址，我們可以使用 InetSocketAddress 進行初始化，比如：new InetSocketAddress(“www.wenhe.com”, 2000)。

第二入參是超時時間的意思（單位毫秒），表示使用者端連線伺服器端的最大等待時間，如果超過當前等待時間，仍然沒有成功建立連線，拋 SocketTimeoutException 異常，如果是 0 的話，表示無限等待。

4、Socket 常用設定引數

Socket 的常用設定引數在 SocketOptions 類中都可以找到，接下來我們來一一分析下，以下理解大多來自類註釋和網路。

4.1、setTcpNoDelay

此方法是用來設定 TCP_NODELAY 屬性的，屬性的註釋是這樣的：此設定僅僅對 TCP 生效，主要為了禁止使用 Nagle 演演算法，true 表示禁止使用，false 表示使用，預設是 false。

對於 Nagle 演演算法，我們參照維基百科上的解釋：

納格演演算法是以減少封包傳送量來增進 [TCP/IP] 網路的效能，它由約翰·納格任職於Ford Aerospace時命名。

納格的檔案[注 1]描述了他所謂的“小封包問題”－某個應用程式不斷地提交小單位的資料，且某些常只佔1位元組大小。因為TCP封包具有40位元組的檔頭資訊（TCP與IPv4各佔20位元組），這導致了41位元組大小的封包只有1位元組的可用資訊，造成龐大的浪費。這種狀況常常發生於Telnet工作階段－大部分的鍵盤操作會產生1位元組的資料並馬上提交。更糟的是，在慢速的網路連線下，這類的封包會大量地在同一時點傳輸，造成壅塞碰撞。

納格演演算法的工作方式是合併（coalescing）一定數量的輸出資料後一次提交。特別的是，只要有已提交的封包尚未確認，傳送者會持續緩衝封包，直到累積一定數量的資料才提交。

總結演演算法開啟關閉的場景：

如果 Nagle 演演算法關閉，對於小封包，比如一次滑鼠移動，點選，使用者端都會立馬和伺服器端互動，實時響應度非常高，但頻繁的通訊卻很佔用不少網路資源；如果 Nagle 演演算法開啟，演演算法會自動合併小封包，等到達到一定大小（MSS）後，才會和伺服器端互動，優點是減少了通訊次數，缺點是實時響應度會低一些。

Socket 建立時，預設是開啟 Nagle 演演算法的，可以根據實時性要求來選擇是否關閉 Nagle 演演算法。

4.2、setSoLinger

setSoLinger 方法主要用來設定 SO_LINGER 屬性值的。

註釋上大概是這個意思：在我們呼叫 close 方法時，預設是直接返回的，但如果給 SO_LINGER 賦值，就會阻塞 close 方法，在 SO_LINGER 時間內，等待通訊雙方傳送資料，如果時間過了，還未結束，將傳送 TCP RST 強制關閉 TCP 。

我們看一下 setSoLinger 原始碼：

// on 為 false，表示不啟用延時關閉，true 的話表示啟用延時關閉
// linger 為延時的時間，單位秒
public void setSoLinger(boolean on, int linger) throws SocketException {
    // 檢查是否已經關閉
    if (isClosed())
        throw new SocketException("Socket is closed");
    // 不啟用延時關閉
    if (!on) {
        getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Boolean(on));
    // 啟用延時關閉，如果 linger 為 0，那麼會立即關閉
    // linger 最大為 65535 秒，約 18 小時
    } else {
        if (linger < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("invalid value for SO_LINGER");
        }
        if (linger > 65535)
            linger = 65535;
        getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Integer(linger));
    }
}

4.3、setOOBInline

setOOBInline 方法主要使用設定 SO_OOBINLINE 屬性。

註釋上說：如果希望接受 TCP urgent data（TCP 緊急資料）的話，可以開啟該選項，預設該選項是關閉的，我們可以通過 Socket#sendUrgentData 方法來傳送緊急資料。

查詢了很多資料，都建議儘可能的去避免設定該值，禁止使用 TCP 緊急資料。

4.4、setSoTimeout

setSoTimeout 方法主要是用來設定 SO_TIMEOUT 屬性的。

註釋上說：用來設定阻塞操作的超時時間，阻塞操作主要有：

ServerSocket.accept() 伺服器等待使用者端的連線；
SocketInputStream.read() 使用者端或伺服器端讀取輸入超時；
DatagramSocket.receive()。

我們必須在必須在阻塞操作之前設定該選項，如果時間到了，操作仍然在阻塞，會丟擲 InterruptedIOException 異常（Socket 會丟擲 SocketTimeoutException 異常，不同的通訊端丟擲的異常可能不同）。

對於 Socket 來說，超時時間如果設定成 0，表示沒有超時時間，阻塞時會無限等待。

4.5、setSendBufferSize

setSendBufferSize 方法主要用於設定 SO_SNDBUF 屬性的，入參是 int 型別，表示設定傳送端（輸出端）的緩衝區的大小，單位是位元組。

入參 size 必須大於 0，否則會丟擲 IllegalArgumentException 異常。

一般我們都是採取預設的，如果值設定太小，很有可能導致網路互動過於頻繁，如果值設定太大，那麼互動變少，實時性就會變低。

4.6、setReceiveBufferSize

setReceiveBufferSize 方法主要用來設定 SO_RCVBUF 屬性的，入參是 int 型別，表示設定接收端的緩衝區的大小，單位是位元組。

入參 size 必須大於 0，否則會丟擲 IllegalArgumentException 異常。

一般來說，在通訊端建立連線之後，我們可以隨意修改視窗大小，但是當視窗大小大於 64k 時，需要注意：

必須在 Socket 連線使用者端之前設定緩衝值；必須在 ServerSocket 繫結本地地址之前設定緩衝值。

4.7、setKeepAlive

setKeepAlive 方法主要用來設定 SO_KEEPALIVE 屬性，主要是用來探測伺服器端的通訊端是否還是存活狀態，預設設定是 false，不會觸發這個功能。

如果 SO_KEEPALIVE 開啟的話，TCP 自動觸發功能：如果兩小時內，使用者端和伺服器端的通訊端之間沒有任何通訊，TCP 會自動傳送 keepalive 探測給對方，對方必須響應這個探測（假設是使用者端傳送給伺服器端），預測有三種情況：

伺服器端使用預期的 ACK 回覆，說明一切正常；伺服器端回覆 RST，表示伺服器端處於宕機或者重啟狀態，終止連線；沒有得到伺服器端的響應（會嘗試多次），表示通訊端已經關閉了。

4.8、setReuseAddress

setReuseAddress 方法主要用來設定 SO_REUSEADDR 屬性，入參是布林值，預設是 false。

通訊端在關閉之後，會等待一段時間之後才會真正的關閉，如果此時有新的通訊端前來繫結同樣的地址和埠時，如果 setReuseAddress 為 true 的話，就可以繫結成功，否則繫結失敗。

5、總結

如果平時一直在做業務程式碼，Socket 可能用到的很少，但面試問到網路協定時，或者以後有機會做做中介軟體的時候，就會有大概率會接觸到 Socket，所以多學學，作為知識儲備也蠻好的。

以上就是Java程式設計Socket結構常用引數設定原始碼及面試題的詳細內容，更多關於Java程式設計Socket結構常用引數面試的資料請關注it145.com其它相關文章！