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Java网络编程精解之ServerSocket用法详解一

 
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第3章 ServerSocket用法详解 第10章 Java语言的反射机制 第13章 基于MVC和RMI的分布
ServerSocket用法详解一 Java语言的反射机制一 基于MVC和RMI的分布式应用一
ServerSocket用法详解二 Java语言的反射机制二 基于MVC和RMI的分布式应用二
ServerSocket用法详解三    

在客户/服务器通信模式中,服务器端需要创建监听特定端口的ServerSocket,ServerSocket负责接收客户连接请求。本章首先介绍ServerSocket类的各个构造方法,以及成员方法的用法,接着介绍服务器如何用多线程来处理与多个客户的通信任务。

本章提供线程池的一种实现方式。线程池包括一个工作队列和若干工作线程。服务器程序向工作队列中加入与客户通信的任务,工作线程不断从工作队列中取出任务并执行它。本章还介绍了java.util.concurrent包中的线程池类的用法,在服务器程序中可以直接使用它们。

3.1 构造ServerSocket

ServerSocket的构造方法有以下几种重载形式:

◆ServerSocket()throws IOException
◆ServerSocket(int port) throws IOException
◆ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException
◆ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException

在以上构造方法中,参数port指定服务器要绑定的端口(服务器要监听的端口),参数backlog指定客户连接请求队列的长度,参数bindAddr指定服务器要绑定的IP地址。

3.1.1 绑定端口

除了第一个不带参数的构造方法以外,其他构造方法都会使服务器与特定端口绑定,该端口由参数port指定。例如,以下代码创建了一个与80端口绑定的服务器:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(80);

如果运行时无法绑定到80端口,以上代码会抛出IOException,更确切地说,是抛出BindException,它是IOException的子类。BindException一般是由以下原因造成的:

◆端口已经被其他服务器进程占用;
◆在某些操作系统中,如果没有以超级用户的身份来运行服务器程序,那么操作系统不允许服务器绑定到1~1023之间的端口。

如果把参数port设为0,表示由操作系统来为服务器分配一个任意可用的端口。由操作系统分配的端口也称为匿名端口。对于多数服务器,会使用明确的端口,而不会使用匿名端口,因为客户程序需要事先知道服务器的端口,才能方便地访问服务器。在某些场合,匿名端口有着特殊的用途,本章3.4节会对此作介绍。

3.1.2 设定客户连接请求队列的长度

当服务器进程运行时,可能会同时监听到多个客户的连接请求。例如,每当一个客户进程执行以下代码:

Socket socket=new Socket(www.javathinker.org,80);

就意味着在远程www.javathinker.org主机的80端口上,监听到了一个客户的连接请求。管理客户连接请求的任务是由操作系统来完成的。操作系统把这些连接请求存储在一个先进先出的队列中。许多操作系统限定了队列的最大长度,一般为50。当队列中的连接请求达到了队列的最大容量时,服务器进程所在的主机会拒绝新的连接请求。只有当服务器进程通过ServerSocket的accept()方法从队列中取出连接请求,使队列腾出空位时,队列才能继续加入新的连接请求。

对于客户进程,如果它发出的连接请求被加入到服务器的队列中,就意味着客户与服务器的连接建立成功,客户进程从Socket构造方法中正常返回。如果客户进程发出的连接请求被服务器拒绝,Socket构造方法就会抛出ConnectionException。

ServerSocket构造方法的backlog参数用来显式设置连接请求队列的长度,它将覆盖操作系统限定的队列的最大长度。值得注意的是,在以下几种情况中,仍然会采用操作系统限定的队列的最大长度:

◆backlog参数的值大于操作系统限定的队列的最大长度;
◆backlog参数的值小于或等于0;
◆在ServerSocket构造方法中没有设置backlog参数。

以下例程3-1的Client.java和例程3-2的Server.java用来演示服务器的连接请求队列的特性。

例程3-1 Client.java

import java.net.*; public class Client { public static void main(String args[])throws Exception{ final int length=100; String host="localhost"; int port=8000;

Socket[] sockets=new Socket[length]; for(int i=0;i<LENGTH;I++){&NBSP; 试图建立100次连接
sockets[i]=new Socket(host, port); System.out.println("第"+(i+1)+"次连接成功"); } Thread.sleep(3000); for(int i=0;i<LENGTH;I++){ sockets[i].close(); //断开连接 } } }

#p#

例程3-2 Server.java

import java.io.*; import java.net.*; public class Server { private int port=8000; private ServerSocket serverSocket;

public Server() throws IOException { serverSocket = new ServerSocket(port,3); //连接请求队列的长度为3 System.out.println("服务器启动"); }

public void service() { while (true) { Socket socket=null; try { socket = serverSocket.accept(); //从连接请求队列中取出一个

连接 System.out.println("New connection accepted " + socket.getInetAddress() + ":" +socket.getPort()); }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }finally { try{ if(socket!=null)socket.close(); }catch (IOException e) {e.printStackTrace();} } } }

public static void main(String args[])throws Exception { Server server=new Server(); Thread.sleep(60000*10); //睡眠10分钟 //server.service(); } }

Client试图与Server进行100次连接。在Server类中,把连接请求队列的长度设为3。这意味着当队列中有了3个连接请求时,如果Client再请求连接,就会被Server拒绝。下面按照以下步骤运行Server和Client程序。

(1)把Server类的main()方法中的“server.service();”这行程序代码注释掉。这使得服务器与8000端口绑定后,永远不会执行serverSocket.accept()方法。这意味着队列中的连接请求永远不会被取出。先运行Server程序,然后再运行Client程序,Client程序的打印结果如下:

第1次连接成功 第2次连接成功 第3次连接成功 Exception in thread "main" java.net.ConnectException: Connection refused: connect at java.net.PlainSocketImpl.socketConnect(Native Method) at java.net.PlainSocketImpl.doConnect(Unknown Source) at java.net.PlainSocketImpl.connectToAddress(Unknown Source) at java.net.PlainSocketImpl.connect(Unknown Source) at java.net.SocksSocketImpl.connect(Unknown Source) at java.net.Socket.connect(Unknown Source) at java.net.Socket.connect(Unknown Source) at java.net.Socket.(Unknown Source) at java.net.Socket.(Unknown Source) at Client.main(Client.java:10)

从以上打印结果可以看出,Client与Server在成功地建立了3个连接后,就无法再创建其余的连接了,因为服务器的队列已经满了。

(2)把Server类的main()方法按如下方式修改:

public static void main(String args[])throws Exception { Server server=new Server(); //Thread.sleep(60000*10); //睡眠10分钟 server.service(); }

作了以上修改,服务器与8 000端口绑定后,就会在一个while循环中不断执行serverSocket.accept()方法,该方法从队列中取出连接请求,使得队列能及时腾出空位,以容纳新的连接请求。先运行Server程序,然后再运行Client程序,Client程序的打印结果如下:

第1次连接成功 第2次连接成功 第3次连接成功 … 第100次连接成功

从以上打印结果可以看出,此时Client能顺利与Server建立100次连接。

3.1.3 设定绑定的IP地址

如果主机只有一个IP地址,那么默认情况下,服务器程序就与该IP地址绑定。ServerSocket的第4个构造方法ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)有一个bindAddr参数,它显式指定服务器要绑定的IP地址,该构造方法适用于具有多个IP地址的主机。假定一个主机有两个网卡,一个网卡用于连接到Internet, IP地址为222.67.5.94,还有一个网卡用于连接到本地局域网,IP地址为192.168.3.4。如果服务器仅仅被本地局域网中的客户访问,那么可以按如下方式创建ServerSocket:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000,10,InetAddress.getByName ("192.168.3.4"));

3.1.4 默认构造方法的作用

ServerSocket有一个不带参数的默认构造方法。通过该方法创建的ServerSocket不与任何端口绑定,接下来还需要通过bind()方法与特定端口绑定。

这个默认构造方法的用途是,允许服务器在绑定到特定端口之前,先设置ServerSocket的一些选项。因为一旦服务器与特定端口绑定,有些选项就不能再改变了。

在以下代码中,先把ServerSocket的SO_REUSEADDR选项设为true,然后再把它与8000端口绑定:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(); serverSocket.setReuseAddress(true); //设置ServerSocket的选项 serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000)); //与8000端口绑定

如果把以上程序代码改为:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000); serverSocket.setReuseAddress(true); //设置ServerSocket的选项

那么serverSocket.setReuseAddress(true)方法就不起任何作用了,因为SO_ REUSEADDR选项必须在服务器绑定端口之前设置才有效。

#p#

3.2 接收和关闭与客户的连接

ServerSocket的accept()方法从连接请求队列中取出一个客户的连接请求,然后创建与客户连接的Socket对象,并将它返回。如果队列中没有连接请求,accept()方法就会一直等待,直到接收到了连接请求才返回。

接下来,服务器从Socket对象中获得输入流和输出流,就能与客户交换数据。当服务器正在进行发送数据的操作时,如果客户端断开了连接,那么服务器端会抛出一个IOException的子类SocketException异常:

java.net.SocketException: Connection reset by peer

这只是服务器与单个客户通信中出现的异常,这种异常应该被捕获,使得服务器能继续与其他客户通信。

以下程序显示了单线程服务器采用的通信流程:

public void service() { while (true) { Socket socket=null; try { socket = serverSocket.accept(); //从连接请求队列中取出一个连接 System.out.println("New connection accepted " + socket.getInetAddress() + ":" +socket.getPort()); //接收和发送数据 … }catch (IOException e) { //这只是与单个客户通信时遇到的异常,可能是由于客户端过早断开连接引起的 //这种异常不应该中断整个while循环 e.printStackTrace(); }finally { try{ if(socket!=null)socket.close(); //与一个客户通信结束后,要关闭

Socket }catch (IOException e) {e.printStackTrace();} } } }

与单个客户通信的代码放在一个try代码块中,如果遇到异常,该异常被catch代码块捕获。try代码块后面还有一个finally代码块,它保证不管与客户通信正常结束还是异常结束,最后都会关闭Socket,断开与这个客户的连接。

3.3 关闭ServerSocket

ServerSocket的close()方法使服务器释放占用的端口,并且断开与所有客户的连接。当一个服务器程序运行结束时,即使没有执行ServerSocket的close()方法,操作系统也会释放这个服务器占用的端口。因此,服务器程序并不一定要在结束之前执行ServerSocket的close()方法。

在某些情况下,如果希望及时释放服务器的端口,以便让其他程序能占用该端口,则可以显式调用ServerSocket的close()方法。例如,以下代码用于扫描1~65535之间的端口号。如果ServerSocket成功创建,意味着该端口未被其他服务器进程绑定,否者说明该端口已经被其他进程占用:

for(int port=1;port<=65535;port++){ try{ ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(port); serverSocket.close(); //及时关闭ServerSocket }catch(IOException e){ System.out.println("端口"+port+" 已经被其他服务器进程占用"); } }

以上程序代码创建了一个ServerSocket对象后,就马上关闭它,以便及时释放它占用的端口,从而避免程序临时占用系统的大多数端口。

ServerSocket的isClosed()方法判断ServerSocket是否关闭,只有执行了ServerSocket的close()方法,isClosed()方法才返回true;否则,即使ServerSocket还没有和特定端口绑定,isClosed()方法也会返回false。

ServerSocket的isBound()方法判断ServerSocket是否已经与一个端口绑定,只要ServerSocket已经与一个端口绑定,即使它已经被关闭,isBound()方法也会返回true。

如果需要确定一个ServerSocket已经与特定端口绑定,并且还没有被关闭,则可以采用以下方式:

boolean isOpen=serverSocket.isBound() && !serverSocket.isClosed();

3.4 获取ServerSocket的信息

ServerSocket的以下两个get方法可分别获得服务器绑定的IP地址,以及绑定的端口:

◆public InetAddress getInetAddress()
◆public int getLocalPort()

前面已经讲到,在构造ServerSocket时,如果把端口设为0,那么将由操作系统为服务器分配一个端口(称为匿名端口),程序只要调用getLocalPort()方法就能获知这个端口号。如例程3-3所示的RandomPort创建了一个ServerSocket,它使用的就是匿名端口。

#p#

例程3-3 RandomPort.java

import java.io.*; import java.net.*;

public class RandomPort{ public static void main(String args[])throws IOException{ ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(0); System.out.println("监听的端口为:"+serverSocket.getLocalPort()); } }

多次运行RandomPort程序,可能会得到如下运行结果:

C:\chapter03\classes>java RandomPort 监听的端口为:3000 C:\chapter03\classes>java RandomPort 监听的端口为:3004 C:\chapter03\classes>java RandomPort 监听的端口为:3005

多数服务器会监听固定的端口,这样才便于客户程序访问服务器。匿名端口一般适用于服务器与客户之间的临时通信,通信结束,就断开连接,并且ServerSocket占用的临时端口也被释放。

FTP(文件传输)协议就使用了匿名端口。如图3-1所示,FTP协议用于在本地文件系统与远程文件系统之间传送文件。

图3-1 FTP协议用于在本地文件系统与远程文件系统之间传送文件

FTP使用两个并行的TCP连接:一个是控制连接,一个是数据连接。控制连接用于在客户和服务器之间发送控制信息,如用户名和口令、改变远程目录的命令或上传和下载文件的命令。数据连接用于传送文件。TCP服务器在21端口上监听控制连接,如果有客户要求上传或下载文件,就另外建立一个数据连接,通过它来传送文件。数据连接的建立有两种方式。

(1)如图3-2所示,TCP服务器在20端口上监听数据连接,TCP客户主动请求建立与该端口的连接。

图3-2 TCP服务器在20端口上监听数据连接

(2)如图3-3所示,首先由TCP客户创建一个监听匿名端口的ServerSocket,再把这个ServerSocket监听的端口号(调用ServerSocket的getLocalPort()方法就能得到端口号)发送给TCP服务器,然后由TCP服务器主动请求建立与客户端的连接。

图3-3 TCP客户在匿名端口上监听数据连接

以上第二种方式就使用了匿名端口,并且是在客户端使用的,用于和服务器建立临时的数据连接。在实际应用中,在服务器端也可以使用匿名端口。

3.5 ServerSocket选项

ServerSocket有以下3个选项。

◆SO_TIMEOUT:表示等待客户连接的超时时间。
◆SO_REUSEADDR:表示是否允许重用服务器所绑定的地址。
◆SO_RCVBUF:表示接收数据的缓冲区的大小。

3.5.1 SO_TIMEOUT选项

◆设置该选项:public void setSoTimeout(int timeout) throws SocketException
◆读取该选项:public int getSoTimeout () throws IOException

SO_TIMEOUT表示ServerSocket的accept()方法等待客户连接的超时时间,以毫秒为单位。如果SO_TIMEOUT的值为0,表示永远不会超时,这是SO_TIMEOUT的默认值。

当服务器执行ServerSocket的accept()方法时,如果连接请求队列为空,服务器就会一直等待,直到接收到了客户连接才从accept()方法返回。如果设定了超时时间,那么当服务器等待的时间超过了超时时间,就会抛出SocketTimeoutException,它是InterruptedException的子类。

如例程3-4所示的TimeoutTester把超时时间设为6秒钟。

#p#

例程3-4 TimeoutTester.java

import java.io.*; import java.net.*;

public class TimeoutTester{ public static void main(String args[])throws IOException{ ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000); serverSocket.setSoTimeout(6000); //等待客户连接的时间不超过6秒 Socket socket=serverSocket.accept(); socket.close(); System.out.println("服务器关闭"); } }

运行以上程序,过6秒钟后,程序会从serverSocket.accept()方法中抛出Socket- TimeoutException:

C:\chapter03\classes>java TimeoutTester Exception in thread "main" java.net.SocketTimeoutException: Accept timed out at java.net.PlainSocketImpl.socketAccept(Native Method) at java.net.PlainSocketImpl.accept(Unknown Source) at java.net.ServerSocket.implAccept(Unknown Source) at java.net.ServerSocket.accept(Unknown Source) at TimeoutTester.main(TimeoutTester.java:8)

如果把程序中的“serverSocket.setSoTimeout(6000)”注释掉,那么serverSocket. accept()方法永远不会超时,它会一直等待下去,直到接收到了客户的连接,才会从accept()方法返回。

Tips:服务器执行serverSocket.accept()方法时,等待客户连接的过程也称为阻塞。本书第4章的4.1节(线程阻塞的概念)详细介绍了阻塞的概念。

3.5.2 SO_REUSEADDR选项

◆设置该选项:public void setResuseAddress(boolean on) throws SocketException
◆读取该选项:public boolean getResuseAddress() throws SocketException

这个选项与Socket的SO_REUSEADDR选项相同,用于决定如果网络上仍然有数据向旧的ServerSocket传输数据,是否允许新的ServerSocket绑定到与旧的ServerSocket同样的端口上。SO_REUSEADDR选项的默认值与操作系统有关,在某些操作系统中,允许重用端口,而在某些操作系统中不允许重用端口。

当ServerSocket关闭时,如果网络上还有发送到这个ServerSocket的数据,这个ServerSocket不会立刻释放本地端口,而是会等待一段时间,确保接收到了网络上发送过来的延迟数据,然后再释放端口。

许多服务器程序都使用固定的端口。当服务器程序关闭后,有可能它的端口还会被占用一段时间,如果此时立刻在同一个主机上重启服务器程序,由于端口已经被占用,使得服务器程序无法绑定到该端口,服务器启动失败,并抛出BindException:

Exception in thread "main" java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind

为了确保一个进程关闭了ServerSocket后,即使操作系统还没释放端口,同一个主机上的其他进程还可以立刻重用该端口,可以调用ServerSocket的setResuse- Address(true)方法:

if(!serverSocket.getResuseAddress())serverSocket.setResuseAddress(true);

值得注意的是,serverSocket.setResuseAddress(true)方法必须在ServerSocket还没有绑定到一个本地端口之前调用,否则执行serverSocket.setResuseAddress(true)方法无效。此外,两个共用同一个端口的进程必须都调用serverSocket.setResuseAddress(true)方法,才能使得一个进程关闭ServerSocket后,另一个进程的ServerSocket还能够立刻重用相同端口。

3.5.3 SO_RCVBUF选项

◆设置该选项:public void setReceiveBufferSize(int size) throws SocketException
◆读取该选项:public int getReceiveBufferSize() throws SocketException

SO_RCVBUF表示服务器端的用于接收数据的缓冲区的大小,以字节为单位。一般说来,传输大的连续的数据块(基于HTTP或FTP协议的数据传输)可以使用较大的缓冲区,这可以减少传输数据的次数,从而提高传输数据的效率。而对于交互式的通信(Telnet和网络游戏),则应该采用小的缓冲区,确保能及时把小批量的数据发送给对方。

SO_RCVBUF的默认值与操作系统有关。例如,在Windows 2000中运行以下代码时,显示SO_RCVBUF的默认值为8192:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000); System.out.println(serverSocket.getReceiveBufferSize()); //打印8192

无论在ServerSocket绑定到特定端口之前或之后,调用setReceiveBufferSize()方法都有效。例外情况下是如果要设置大于64K的缓冲区,则必须在ServerSocket绑定到特定端口之前进行设置才有效。例如,以下代码把缓冲区设为128K:

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(); int size=serverSocket.getReceiveBufferSize(); if(size<131072) serverSocket.setReceiveBufferSize(131072);//把缓冲区的大小设为128K serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000)); //与8 000端口绑定

执行serverSocket.setReceiveBufferSize()方法,相当于对所有由serverSocket.accept()方法返回的Socket设置接收数据的缓冲区的大小。

3.5.4 设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性

◆public void setPerformancePreferences(int connectionTime,int latency,int bandwidth)

该方法的作用与Socket的setPerformancePreferences()方法的作用相同,用于设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性,参见本书第2章的2.5.10节(设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性)。

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